Средства языка для организации работы в сети

Содержание лекции

• Распределенная обработка данных
• Основы работы в сети
• Клиент-серверная архитектура
• Proxy-сервера
• Internet-адресация
• Сетевые классы и интерфейсы
• Обзор сокетов
• TCP/IP клиенты и серверы
• Дейтаграммы (UDP)
• Использование URL
• Практические примеры на Qt

Распределенная обработка данных

Понятие распределенной системы

• Совокупность независимых компьютеров, представляемых пользователю как единая система
• Компоненты взаимодействуют через сеть
• Общие характеристики:
  • Масштабируемость
  • Отказоустойчивость
  • Прозрачность доступа
  • Конкурентный доступ к ресурсам

Основы работы в сети

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection)

История и назначение

Модель OSI была разработана в 1984 году организацией ISO (International Organization for Standardization) как универсальная модель для описания процессов передачи данных в сети. Модель представляет собой семиуровневую архитектуру, где каждый уровень выполняет свои специфические функции.

Семь уровней модели OSI

Подробное описание уровней

1. Физический уровень (Physical Layer)

Назначение: Передача битов по физическому каналу связи

Функции:

• Преобразование битов в сигналы
• Определение физических характеристик среды передачи
• Синхронизация передачи данных
• Управление физическим соединением

Технологии:

• Ethernet (10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T)
• Wi-Fi (802.11a/b/g/n/ac/ax)
• Оптоволокно
• Коаксиальный кабель
• Телефонные линии

Оборудование:

• Кабели и разъемы
• Повторители (repeaters)
• Концентраторы (hubs)
• Модули SFP/SFP+

2. Канальный уровень (Data Link Layer)

Назначение: Надежная передача данных между соседними узлами

Функции:

• Формирование кадров
• Контроль ошибок (CRC)
• Управление доступом к среде (MAC)
• Адресация на уровне сетевого интерфейса

Подуровни:

• LLC (Logical Link Control) - логический контроль канала
• MAC (Media Access Control) - управление доступом к среде

Протоколы:

• Ethernet (IEEE 802.3)
• Wi-Fi (IEEE 802.11)
• PPP (Point-to-Point Protocol)
• ARP (Address Resolution Protocol)

Оборудование:

• Коммутаторы (switches)
• Мосты (bridges)
• Сетевые карты (NIC)

3. Сетевой уровень (Network Layer)

Назначение: Маршрутизация пакетов между различными сетями

Функции:

• Логическая адресация (IP-адреса)
• Маршрутизация и пересылка пакетов
• Фрагментация и сборка пакетов
• Управление перегрузкой в сети

Протоколы:

• IP (Internet Protocol) - IPv4 и IPv6
• ICMP (Internet Control Message Protocol)
• ARP (Address Resolution Protocol)
• OSPF (Open Shortest Path First)
• BGP (Border Gateway Protocol)

Оборудование:

• Маршрутизаторы (routers)
• Трехуровневые коммутаторы
• Межсетевые экраны (firewalls)

4. Транспортный уровень (Transport Layer)

Назначение: Надежная передача данных между конечными точками

Функции:

• Сегментация и сборка данных
• Управление потоком и перегрузкой
• Контроль ошибок и повторная передача
• Мультиплексирование/демультиплексирование соединений

Протоколы:

• TCP (Transmission Control Protocol)
• UDP (User Datagram Protocol)
• SCTP (Stream Control Transmission Protocol)

5. Сеансовый уровень (Session Layer)

Назначение: Управление сеансами связи между приложениями

Функции:

• Установление, управление и завершение сеансов
• Синхронизация данных
• Контроль диалога (duplex/half-duplex)
• Восстановление после сбоев

Протоколы:

• NetBIOS
• RPC (Remote Procedure Call)
• SQL (Structured Query Language)

6. Уровень представления (Presentation Layer)

Назначение: Преобразование данных в формат, понятный приложению

Функции:

• Кодирование и декодирование данных
• Шифрование и дешифрование
• Сжатие и распаковка
• Преобразование форматов данных

Стандарты:

• SSL/TLS - шифрование
• MIME - формат электронной почты
• JPEG/GIF/PNG - графические форматы
• ASCII/UNICODE - кодировки текста

7. Прикладной уровень (Application Layer)

Назначение: Интерфейс между сетью и приложением пользователя

Функции:

• Предоставление сетевых сервисов приложениям
• Управление сетевыми ресурсами
• Аутентификация и авторизация
• Обработка ошибок приложения

Протоколы:

• HTTP/HTTPS - веб-серверы
• FTP/SFTP - передача файлов
• SMTP/POP3/IMAP - электронная почта
• DNS - система доменных имен
• DHCP - динамическая конфигурация

Взаимодействие уровней (инкапсуляция)

При передаче данных каждый уровень добавляет свою служебную информацию

Аналогия с отправлением письма

1. Прикладной уровень - содержание письма
2. Представления - язык письма и шифрование
3. Сеансовый - организация диалога
4. Транспортный - надпись "важное" или "обычное"
5. Сетевой - адрес получателя
6. Канальный - почтовый ящик и почтовый индекс
7. Физический - физическая доставка письма

Отличия от модели TCP/IP

Модель TCP/IP использует только 4 уровня:

• Прикладной (объединяет 5-7 уровни OSI)
• Транспортный (аналогичен 4 уровню OSI)
• Интернет (аналогичен 3 уровню OSI)
• Канальный (объединяет 1-2 уровни OSI)

Принципы маршрутизации и коммутации

Маршрутизация (Routing) на 3 уровне

• Определение оптимального пути для пакетов
• Использование таблиц маршрутизации
• Протоколы динамической маршрутизации (OSPF, BGP)
• Логическая адресация (IP-адреса)

Коммутация (Switching) на 2 уровне

• Передача кадров между сегментами сети
• Использование MAC-адресов
• Создание таблиц коммутации
• Виртуальные LAN (VLAN)

Типы коммутации:

1. Канальная коммутация - установление выделенного канала
2. Пакетная коммутация - передача независимых пакетов
3. Сообщечная коммутация - передача цельных сообщений

Качество обслуживания (QoS - Quality of Service)

Параметры QoS:

• Пропускная способность (Bandwidth) - максимальная скорость передачи
• Задержка (Latency) - время передачи данных
• Джиттер (Jitter) - изменение задержки
• Потери пакетов (Packet Loss) - процент потерянных пакетов

Механизмы QoS:

• Приоритизация трафика (Traffic Prioritization)
• Контроль полосы пропускания (Bandwidth Management)
• Управление очередями (Queue Management)
• Формирование трафика (Traffic Shaping)

Типы сетевых устройств по уровням OSI

Клиент-серверная архитектура

Основные принципы

Клиент-серверная архитектура - это модель организации сетевого взаимодействия, при которой одна сторона (клиент) инициирует запрос, а другая сторона (сервер) обрабатывает этот запрос и возвращает ответ.

Роли участников:

• Клиент - инициатор запроса, потребитель услуг
• Сервер - исполнитель запроса, поставщик услуг
• Точка взаимодействия - сокет (socket), через который происходит обмен данными

Типы клиент-серверных архитектур

1. Двухуровневая архитектура (2-tier)

Клиент ←→ Сервер базы данных

• Клиент содержит бизнес-логику и пользовательский интерфейс
• Сервер управляет данными
• Примеры: традиционные настольные приложения

2. Трехуровневая архитектура (3-tier)

Клиент ←→ Сервер приложений ←→ Сервер базы данных

• Клиент - только пользовательский интерфейс
• Сервер приложений - бизнес-логика
• Сервер базы данных - хранение данных
• Преимущества: лучшая масштабируемость и безопасность

3. Многоуровневая архитектура (n-tier)

Клиент ←→ Веб-сервер ←→ Сервер приложений ←→ Сервер базы данных

• Дополнительные уровни для балансировки нагрузки, кэширования и т.д.
• Современные веб-приложения и микросервисы

Принципы работы клиент-серверного взаимодействия

Этапы взаимодействия:

Состояния соединения:

• CLOSED - соединение закрыто
• LISTEN - сервер ожидает подключений
• SYN_SENT - клиент отправил запрос на соединение
• SYN_RECEIVED - сервер получил запрос
• ESTABLISHED - соединение установлено
• FIN_WAIT - инициация закрытия соединения
• CLOSE_WAIT - ожидание закрытия
• TIME_WAIT - ожидание перед полным закрытием

Преимущества клиент-серверной архитектуры

Недостатки клиент-серверной архитектуры

1. Зависимость от сервера

• Одиночная точка отказа
• Необходимость высокой доступности сервера
• Сложность обеспечения отказоустойчивости

2. Сложность администрирования

• Требуются квалифицированные администраторы
• Необходимость постоянного мониторинга
• Сложность диагностики проблем

3. Пропускная способность сети

• Ограничение скорости передачи данных
• Зависимость от качества сетевого соединения
• Возможные задержки при передаче данных

Паттерны проектирования для клиент-серверных приложений

Примеры клиент-серверных приложений

Безопасность в клиент-серверных приложениях

Internet-адресация

Основы IP-адресации

IP-адресация - это система логических адресов, используемая для идентификации устройств в сети и обеспечения маршрутизации данных между ними. IP-адреса работают на сетевом уровне (3 уровень) модели OSI.

Принципы IP-адресации:

• Каждое устройство в сети имеет уникальный IP-адрес
• IP-адрес состоит из двух частей: сетевой и хостовой
• Адреса используются для маршрутизации пакетов
• Поддерживаются два основных стандарта: IPv4 и IPv6

IPv4 (Internet Protocol версия 4)

Структура IPv4-адреса

• Размер: 32 бита (4 байта)
• Формат записи: четыре десятичных числа, разделенные точками (например, 192.168.1.1)
• Диапазон значений: от 0.0.0.0 до 255.255.255.255
• Количество возможных адресов: 2³² = 4,294,967,296 адресов

Классовая адресация IPv4

Специальные IPv4-адреса

Подсети (Subnetting)

Маска подсети - это 32-битное число, которое определяет, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая - к хосту.

Формулы подсетей:

• Количество подсетей = 2ⁿ, где n - количество заимствованных битов
• Количество хостов в подсети = 2ᵐ - 2, где m - количество битов хоста

CIDR-нотация (Classless Inter-Domain Routing):

• Формат: IP-адрес/префикс (например, 192.168.1.0/24)
• Префикс указывает количество битов сетевой части

Примеры CIDR:

• /24 = 255.255.255.0 = 256 адресов (254 хоста)
• /25 = 255.255.255.128 = 128 адресов (126 хостов)
• /26 = 255.255.255.192 = 64 адреса (62 хоста)
• /27 = 255.255.255.224 = 32 адреса (30 хостов)

IPv6 (Internet Protocol версия 6)

Необходимость IPv6

• Исчерпание адресного пространства IPv4 - рост числа устройств в Интернете
• Улучшенная маршрутизация - иерархическая структура адресов
• Безопасность - встроенная поддержка IPsec
• Автоконфигурация - упрощенное подключение устройств
• Производительность - оптимизированная структура заголовков

Структура IPv6-адреса

• Размер: 128 бит (16 байтов)
• Формат записи: восемь групп по четыре шестнадцатеричных цифры, разделенных двоеточиями
• Пример: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
• Сокращенная запись: 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334
• Количество возможных адресов: 2¹²⁸ ≈ 3.4 × 10³⁸ адресов

Типы IPv6-адресов

Форматы IPv6-адресов

Глобальный unicast-адрес:

| 48 бит (глобальный префикс) | 16 бит (подсеть) | 64 бита (интерфейс) |

Link-local адрес:

FE80:: + 54 нулевых бита + 64-битный идентификатор интерфейса

IPv4-совместимый адрес:

::ffff:192.168.1.1 (последние 32 бита - IPv4-адрес)

Порты (Ports)

Основы портов

Порт - это 16-битное число, используемое для идентификации процессов или служб в пределах одного IP-адреса.

• Диапазон портов: 0-65535 (2¹⁶ возможных портов)
• Размер: 16 бит
• Формат: TCP/UDP порт
• Назначение: мультиплексирование соединений

Классификация портов

Назначение портов

• Идентификация служб - каждая служба имеет стандартный порт
• Мультиплексирование - несколько соединений на одном IP-адресе
• Безопасность - контроль доступа к службам
• Маршрутизация - направление трафика к нужному процессу

DNS (Domain Name System)

Назначение DNS

DNS - это распределенная система доменных имен, которая преобразует удобочитаемые доменные имена (например, www.example.com) в IP-адреса (например, 93.184.216.34).

Иерархия DNS

Корневые серверы (.)
    ↓
Серверы верхнего уровня (.com, .org, .ru и т.д.)
    ↓
Серверы второго уровня (example.com)
    ↓
Локальные DNS-серверы

Типы DNS-записей

Процесс разрешения DNS

1. Локальный кэш - проверка локального кэша браузера и ОС
2. Локальный DNS-сервер - запрос к настроенному DNS-серверу
3. Рекурсивный запрос - локальный сервер делает запросы от имени клиента
4. Корневые серверы - получение информации о серверах верхнего уровня
5. Серверы верхнего уровня - получение информации об авторитетных серверах
6. Авторитетные серверы - получение конечного IP-адреса

Кэширование DNS

• Время жизни записи (TTL) - определяет, как долго запись хранится в кэше
• Иерархическое кэширование - кэш на разных уровнях (браузер, ОС, локальный DNS)
• Обновление кэша - периодическое обновление записей по истечении TTL

Маршрутизация (Routing)

Основы маршрутизации

Маршрутизация - это процесс определения оптимального пути для передачи пакетов от источника к назначению.

Типы маршрутизации

1. Статическая маршрутизация

   • Маршруты задаются вручную администратором
   • Не требует дополнительных ресурсов
   • Подходит для простых сетей
   • Не адаптируется к изменениям в сети

2. Динамическая маршрутизация

   • Маршруты определяются автоматически
   • Используются протоколы маршрутизации
   • Адаптируется к изменениям в сети
   • Требует дополнительных ресурсов

Протоколы маршрутизации

Таблица маршрутизации

Содержит информацию о:

• Сети назначения
• Маске подсети
• Шлюзе (Gateway)
• Интерфейсе
• Метрике маршрута
• Приоритете маршрута

NAT (Network Address Translation)

Назначение NAT

NAT - это технология преобразования IP-адресов, позволяющая нескольким устройствам в частной сети использовать один публичный IP-адрес для доступа в Интернет.

Типы NAT

1. Статический NAT (One-to-One)

   • Один частный IP-адрес → один публичный IP-адрес
   • Используется для серверов, требующих постоянного адреса

2. Динамический NAT (Many-to-Many)

   • Пул частных IP-адресов → пул публичных IP-адресов
   • Адреса назначаются по мере необходимости

3. PAT (Port Address Translation) / NAT Overload

   • Множество частных IP-адресов → один публичный IP-адрес
   • Используются порты для различения соединений
   • Наиболее распространенный тип NAT

Обзор сокетов

Что такое сокет?

Сокет (socket) - это абстрактный механизм межпроцессного взаимодействия, представляющий собой конечную точку сетевого соединения. Сокет является основой всех сетевых коммуникаций в современных операционных системах.

Основные характеристики сокетов:

• Точка взаимодействия между процессами (как локальными, так и удаленными)
• Комбинация IP-адреса и порта (например, 192.168.1.100:8080)
• Предоставляет интерфейс для сетевого взаимодействия через системные вызовы
• Поддерживает как однонаправленную, так и двунаправленную передачу данных

Архитектура сокетов:

Приложение → Сокет API → Транспортный уровень (TCP/UDP) → Сетевой уровень (IP) → Канальный уровень

История и стандарты

• Первоначально разработаны в BSD Unix (1983 год)
• Стандартизированы в POSIX.1-2001
• Реализованы во всех современных ОС (Windows, Linux, macOS)
• Являются универсальным интерфейсом для сетевого программирования

Типы сокетов по семейству адресов

Типы сокетов по типу взаимодействия

1. SOCK_STREAM (потоковые сокеты)

• Протокол: TCP (Transmission Control Protocol)
• Характеристики:
  • Надежная доставка данных
  • Упорядоченная передача (без потерь и дублирования)
  • Установление соединения (трехэтапное рукопожатие)
  • Двунаправленный поток данных
• Применение: HTTP, FTP, SMTP, SSH и другие протоколы, требующие надежности

2. SOCK_DGRAM (дейтаграммные сокеты)

• Протокол: UDP (User Datagram Protocol)
• Характеристики:
  • Без установления соединения
  • Не гарантирует доставку
  • Не гарантирует порядок доставки
  • Минимальные накладные расходы
• Применение: DNS, DHCP, VoIP, онлайн-игры, потоковое видео

3. SOCK_RAW (сырые сокеты)

• Прямой доступ к сетевому уровню
• Возможность формировать собственные заголовки протоколов
• Требуют привилегированного доступа (root/administrator)
• Используются для создания сетевых утилит (ping, traceroute)

Жизненный цикл сокета

1. Создание сокета

int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

2. Привязка к адресу (для сервера)

bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));

3. Установление соединения

• Клиент: connect()
• Сервер: listen() → accept()

4. Обмен данными

• send() / recv() для TCP
• sendto() / recvfrom() для UDP

5. Закрытие соединения

close(socket_fd);  // Unix/Linux
closesocket(socket_fd);  // Windows

Системные вызовы для работы с сокетами

Основные функции:

• socket() - создание сокета
• bind() - привязка к локальному адресу
• listen() - перевод в режим прослушивания
• accept() - принятие входящего соединения
• connect() - установление соединения
• send()/recv() - передача данных (TCP)
• sendto()/recvfrom() - передача данных (UDP)
• close() - закрытие сокета

Дополнительные функции:

• select() - мультиплексирование ввода/вывода
• setsockopt() - установка параметров сокета
• getsockopt() - получение параметров сокета
• getsockname() - получение локального адреса
• getpeername() - получение удаленного адреса

Параметры сокетов (Socket Options)

Важные опции:

• SO_REUSEADDR - повторное использование локального адреса
• SO_KEEPALIVE - поддержание соединения активным
• SO_RCVBUF/SO_SNDBUF - размер буферов приема/передачи
• TCP_NODELAY - отключение алгоритма Нейгла
• SO_LINGER - управление закрытием соединения

Блокирующие и неблокирующие режимы

Блокирующий режим (по умолчанию):

• Операции ввода/вывода блокируют выполнение программы
• Простота программирования
• Неэффективность при работе с несколькими соединениями

Неблокирующий режим:

• Операции возвращаются немедленно
• Требует использования механизмов опроса (select, poll, epoll)
• Эффективен для высоконагруженных приложений

Преимущества использования сокетов

1. Универсальность - стандартный интерфейс для всех платформ
2. Гибкость - поддержка различных протоколов и типов соединений
3. Контроль - полный контроль над процессом передачи данных
4. Производительность - прямой доступ к транспортному уровню
5. Совместимость - работа между различными операционными системами

Недостатки и ограничения

1. Сложность - необходимость ручного управления многими аспектами
2. Безопасность - отсутствие встроенных механизмов шифрования
3. Переносимость - различия в реализации между платформами
4. Отладка - сложность диагностики сетевых проблем

Теория сетевых протоколов

TCP (Transmission Control Protocol)

Основные характеристики TCP:

• Надежная доставка - гарантирует доставку всех данных
• Упорядоченная передача - данные приходят в правильном порядке
• Контроль потока - предотвращает перегрузку получателя
• Контроль перегрузки - адаптируется к состоянию сети
• Двунаправленный поток данных - полный дуплекс

Структура TCP-сегмента:

[Заголовок TCP | Данные]

• Порты источника и назначения (16 бит каждый)
• Номер последовательности (32 бита)
• Номер подтверждения (32 бита)
• Флаги управления (SYN, ACK, FIN, RST, PSH, URG)
• Размер окна (16 бит) - контроль потока
• Контрольная сумма (16 бит)

Процесс установления TCP-соединения (трехэтапное рукопожатие):

1. SYN: клиент отправляет запрос на соединение
2. SYN-ACK: сервер подтверждает получение и отправляет свой запрос
3. ACK: клиент подтверждает получение

Клиент                    Сервер
  |                        |
  |-------- SYN -------->  |
  |                        |
  |<----- SYN-ACK -------  |
  |                        |
  |-------- ACK -------->  |
  |                        |

Процесс завершения TCP-соединения (четырехэтапное завершение):

1. FIN: инициатор отправляет запрос на завершение
2. ACK: получатель подтверждает получение
3. FIN: получатель отправляет запрос на завершение
4. ACK: инициатор подтверждает получение

Алгоритмы и механизмы TCP:

• Алгоритм Нейгла - объединение маленьких пакетов
• Алгоритм медленного старта - постепенное увеличение скорости передачи
• Алгоритм устранения перегрузки - реакция на потери пакетов
• Таймеры повторной передачи - контроль времени ожидания подтверждений

UDP (User Datagram Protocol)

Основные характеристики UDP:

• Без установления соединения - данные отправляются немедленно
• Ненадежная доставка - нет гарантии доставки
• Без упорядочивания - пакеты могут прийти в неправильном порядке
• Минимальные накладные расходы - всего 8 байт заголовка
• Границы сообщений сохраняются - датаграммы не разбиваются

Структура UDP-датаграммы:

[Заголовок UDP (8 байт) | Данные]

• Порт источника (16 бит)
• Порт назначения (16 бит)
• Длина датаграммы (16 бит)
• Контрольная сумма (16 бит, опционально)

Преимущества UDP:

• Низкая задержка - отсутствие установления соединения
• Высокая скорость - минимальная обработка
• Возможность широковещательной передачи (broadcast)
• Гибкость - приложение само контролирует надежность

Приложения, использующие UDP:

• DNS (порт 53) - система доменных имен
• DHCP (порты 67/68) - динамическая конфигурация хостов
• VoIP - голосовая связь по IP
• Видеостриминг - онлайн-трансляции
• Онлайн-игры - передача игровых данных
• SNMP - сетевое управление

Сравнение TCP и UDP

Сетевые классы Qt

Основные классы для работы с сетью

• QTcpSocket - TCP-клиент
• QTcpServer - TCP-сервер
• QUdpSocket - UDP-сокет
• QHostAddress - IP-адрес
• QNetworkAccessManager - HTTP-клиент
• QNetworkRequest - HTTP-запрос
• QNetworkReply - HTTP-ответ

TCP-клиент на Qt

#include <QTcpSocket>
#include <QHostAddress>
#include <QDebug>

class TcpClient : public QObject {
    Q_OBJECT
    
private:
    QTcpSocket* socket;
    
public:
    TcpClient(QObject* parent = nullptr) : QObject(parent) {
        socket = new QTcpSocket(this);
        
        connect(socket, &QTcpSocket::connected, this, &TcpClient::onConnected);
        connect(socket, &QTcpSocket::readyRead, this, &TcpClient::onReadyRead);
        connect(socket, &QTcpSocket::disconnected, this, &TcpClient::onDisconnected);
        
        // Подключение к серверу
        socket->connectToHost(QHostAddress("127.0.0.1"), 8080);
    }
    
private slots:
    void onConnected() {
        qDebug() << "Подключено к серверу";
        socket->write("Hello, Server!");
    }
    
    void onReadyRead() {
        QByteArray data = socket->readAll();
        qDebug() << "Получено:" << data;
    }
    
    void onDisconnected() {
        qDebug() << "Отключено от сервера";
    }
};

TCP-сервер на Qt

#include <QTcpServer>
#include <QTcpSocket>
#include <QDebug>

class TcpServer : public QObject {
    Q_OBJECT
    
private:
    QTcpServer* server;
    QList<QTcpSocket*> clients;
    
public:
    TcpServer(QObject* parent = nullptr) : QObject(parent) {
        server = new QTcpServer(this);
        
        connect(server, &QTcpServer::newConnection, 
                this, &TcpServer::onNewConnection);
        
        if (server->listen(QHostAddress::Any, 8080)) {
            qDebug() << "Сервер запущен на порту 8080";
        } else {
            qDebug() << "Ошибка запуска сервера:" << server->errorString();
        }
    }
    
private slots:
    void onNewConnection() {
        QTcpSocket* clientSocket = server->nextPendingConnection();
        clients.append(clientSocket);
        
        connect(clientSocket, &QTcpSocket::readyRead, 
                this, &TcpServer::onReadyRead);
        connect(clientSocket, &QTcpSocket::disconnected, 
                this, &TcpServer::onDisconnected);
        
        qDebug() << "Новый клиент подключен:" 
                 << clientSocket->peerAddress().toString();
    }
    
    void onReadyRead() {
        QTcpSocket* client = qobject_cast<QTcpSocket*>(sender());
        QByteArray data = client->readAll();
        qDebug() << "Получено от клиента:" << data;
        
        // Отправка ответа всем клиентам
        for (QTcpSocket* c : clients) {
            c->write("Сообщение получено: " + data);
        }
    }
    
    void onDisconnected() {
        QTcpSocket* client = qobject_cast<QTcpSocket*>(sender());
        clients.removeAll(client);
        client->deleteLater();
        qDebug() << "Клиент отключен";
    }
};

UDP/Дейтаграммы на Qt

#include <QUdpSocket>
#include <QHostAddress>
#include <QDebug>

class UdpServer : public QObject {
    Q_OBJECT
    
private:
    QUdpSocket* udpSocket;
    
public:
    UdpServer(QObject* parent = nullptr) : QObject(parent) {
        udpSocket = new QUdpSocket(this);
        
        if (udpSocket->bind(QHostAddress::Any, 1234)) {
            qDebug() << "UDP сервер запущен на порту 1234";
            connect(udpSocket, &QUdpSocket::readyRead, 
                    this, &UdpServer::onReadyRead);
        }
    }
    
private slots:
    void onReadyRead() {
        while (udpSocket->hasPendingDatagrams()) {
            QByteArray datagram;
            datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
            QHostAddress sender;
            quint16 senderPort;
            
            udpSocket->readDatagram(datagram.data(), datagram.size(),
                                   &sender, &senderPort);
            
            qDebug() << "Получено от" << sender.toString() 
                     << ":" << senderPort << "-" << datagram;
            
            // Отправка ответа
            udpSocket->writeDatagram("Ответ получен", sender, senderPort);
        }
    }
};

UDP-клиент на Qt

#include <QUdpSocket>
#include <QHostAddress>
#include <QDebug>

class UdpClient : public QObject {
    Q_OBJECT
    
private:
    QUdpSocket* udpSocket;
    
public:
    UdpClient(QObject* parent = nullptr) : QObject(parent) {
        udpSocket = new QUdpSocket(this);
        
        connect(udpSocket, &QUdpSocket::readyRead, 
                this, &UdpClient::onReadyRead);
        
        // Отправка сообщения
        sendMessage("Hello UDP Server!");
    }
    
    void sendMessage(const QString& message) {
        QByteArray datagram = message.toUtf8();
        QHostAddress serverAddress("127.0.0.1");
        quint16 serverPort = 1234;
        
        udpSocket->writeDatagram(datagram, serverAddress, serverPort);
        qDebug() << "Отправлено:" << message;
    }
    
private slots:
    void onReadyRead() {
        while (udpSocket->hasPendingDatagrams()) {
            QByteArray datagram;
            datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
            QHostAddress sender;
            quint16 senderPort;
            
            udpSocket->readDatagram(datagram.data(), datagram.size(),
                                   &sender, &senderPort);
            
            qDebug() << "Получено от" << sender.toString() 
                     << ":" << senderPort << "-" << datagram;
        }
    }
};

HTTP-клиент на Qt

#include <QNetworkAccessManager>
#include <QNetworkRequest>
#include <QNetworkReply>
#include <QUrl>
#include <QDebug>

class HttpClient : public QObject {
    Q_OBJECT
    
private:
    QNetworkAccessManager* manager;
    
public:
    HttpClient(QObject* parent = nullptr) : QObject(parent) {
        manager = new QNetworkAccessManager(this);
        
        connect(manager, &QNetworkAccessManager::finished,
                this, &HttpClient::onRequestFinished);
        
        // GET запрос
        getRequest("https://api.github.com/users/octocat");
        
        // POST запрос
        postRequest("https://httpbin.org/post", "{\"key\":\"value\"}");
    }
    
    void getRequest(const QString& url) {
        QNetworkRequest request(QUrl(url));
        request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, "application/json");
        
        manager->get(request);
    }
    
    void postRequest(const QString& url, const QByteArray& data) {
        QNetworkRequest request(QUrl(url));
        request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, "application/json");
        
        manager->post(request, data);
    }
    
private slots:
    void onRequestFinished(QNetworkReply* reply) {
        if (reply->error() == QNetworkReply::NoError) {
            QByteArray response = reply->readAll();
            qDebug() << "Ответ:" << response;
        } else {
            qDebug() << "Ошибка:" << reply->errorString();
        }
        
        reply->deleteLater();
    }
};

Proxy-сервер на Qt

#include <QTcpServer>
#include <QTcpSocket>
#include <QDebug>

class ProxyServer : public QObject {
    Q_OBJECT
    
private:
    QTcpServer* server;
    QString targetHost;
    quint16 targetPort;
    
public:
    ProxyServer(const QString& targetHost, quint16 targetPort, 
                QObject* parent = nullptr) : QObject(parent) {
        this->targetHost = targetHost;
        this->targetPort = targetPort;
        
        server = new QTcpServer(this);
        connect(server, &QTcpServer::newConnection, 
                this, &ProxyServer::onNewConnection);
        
        if (server->listen(QHostAddress::Any, 8888)) {
            qDebug() << "Прокси-сервер запущен на порту 8888";
        }
    }
    
private slots:
    void onNewConnection() {
        QTcpSocket* clientSocket = server->nextPendingConnection();
        QTcpSocket* targetSocket = new QTcpSocket(this);
        
        // Подключение к целевому серверу
        targetSocket->connectToHost(targetHost, targetPort);
        
        // Проксирование данных
        connect(clientSocket, &QTcpSocket::readyRead, [=]() {
            if (targetSocket->state() == QAbstractSocket::ConnectedState) {
                targetSocket->write(clientSocket->readAll());
            }
        });
        
        connect(targetSocket, &QTcpSocket::readyRead, [=]() {
            clientSocket->write(targetSocket->readAll());
        });
        
        connect(clientSocket, &QTcpSocket::disconnected, [=]() {
            targetSocket->disconnectFromHost();
            clientSocket->deleteLater();
            targetSocket->deleteLater();
        });
    }
};

Работа с URL в Qt

#include <QUrl>
#include <QUrlQuery>
#include <QDebug>

class UrlExample {
public:
    static void demonstrateUrlParsing() {
        // Создание URL
        QUrl url("https://api.example.com:8080/users?name=John&age=25#section");
        
        // Разбор URL
        qDebug() << "Схема:" << url.scheme();      // https
        qDebug() << "Хост:" << url.host();         // api.example.com
        qDebug() << "Порт:" << url.port();         // 8080
        qDebug() << "Путь:" << url.path();         // /users
        qDebug() << "Запрос:" << url.query();      // name=John&age=25
        qDebug() << "Фрагмент:" << url.fragment(); // section
        
        // Работа с параметрами запроса
        QUrlQuery query(url);
        qDebug() << "Параметры:";
        for (auto it = query.queryItems().begin(); 
             it != query.queryItems().end(); ++it) {
            qDebug() << "  " << it->first << "=" << it->second;
        }
        
        // Создание URL с параметрами
        QUrl newUrl("https://example.com/search");
        QUrlQuery newQuery;
        newQuery.addQueryItem("q", "Qt network");
        newQuery.addQueryItem("page", "1");
        newUrl.setQuery(newQuery);
        
        qDebug() << "Сформированный URL:" << newUrl.toString();
    }
};

Зарезервированные сокеты и порты

Известные порты (Well-known ports)

Обработка ошибок в сетевых приложениях

#include <QTcpSocket>
#include <QAbstractSocket>
#include <QDebug>

class NetworkErrorHandler : public QObject {
    Q_OBJECT
    
public:
    static QString getErrorDescription(QAbstractSocket::SocketError error) {
        switch (error) {
            case QAbstractSocket::ConnectionRefusedError:
                return "Соединение отклонено";
            case QAbstractSocket::RemoteHostClosedError:
                return "Удаленный хост закрыл соединение";
            case QAbstractSocket::HostNotFoundError:
                return "Хост не найден";
            case QAbstractSocket::SocketAccessError:
                return "Нет доступа к сокету";
            case QAbstractSocket::SocketResourceError:
                return "Не хватает системных ресурсов";
            case QAbstractSocket::SocketTimeoutError:
                return "Таймаут соединения";
            case QAbstractSocket::DatagramTooLargeError:
                return "Датаграмма слишком велика";
            case QAbstractSocket::NetworkError:
                return "Ошибка сети";
            case QAbstractSocket::AddressInUseError:
                return "Адрес уже используется";
            default:
                return "Неизвестная ошибка";
        }
    }
    
    static void handleNetworkError(QAbstractSocket* socket) {
        connect(socket, QOverload<QAbstractSocket::SocketError>::of(&QAbstractSocket::error),
                [=](QAbstractSocket::SocketError socketError) {
            qDebug() << "Ошибка сети:" << getErrorDescription(socketError);
            qDebug() << "Детали:" << socket->errorString();
        });
    }
};

Асинхронная работа с сетью

#include <QNetworkAccessManager>
#include <QNetworkReply>
#include <QEventLoop>
#include <QTimer>

class AsyncNetworkExample {
public:
    // Синхронный запрос (блокирующий)
    static QByteArray syncRequest(const QString& url) {
        QNetworkAccessManager manager;
        QNetworkRequest request(QUrl(url));
        
        QNetworkReply* reply = manager.get(request);
        
        QEventLoop loop;
        QObject::connect(reply, &QNetworkReply::finished, &loop, &QEventLoop::quit);
        
        // Таймаут 5 секунд
        QTimer::singleShot(5000, &loop, &QEventLoop::quit);
        
        loop.exec();
        
        if (reply->error() == QNetworkReply::NoError) {
            return reply->readAll();
        } else {
            return QByteArray();
        }
    }
    
    // Асинхронный запрос (неблокирующий)
    static void asyncRequest(const QString& url) {
        QNetworkAccessManager* manager = new QNetworkAccessManager();
        QNetworkRequest request(QUrl(url));
        
        QNetworkReply* reply = manager->get(request);
        
        QObject::connect(reply, &QNetworkReply::finished, [=]() {
            if (reply->error() == QNetworkReply::NoError) {
                qDebug() << "Ответ получен:" << reply->readAll();
            } else {
                qDebug() << "Ошибка:" << reply->errorString();
            }
            
            reply->deleteLater();
            manager->deleteLater();
        });
    }
};

Безопасность в сетевых приложениях

#include <QSslSocket>
#include <QSslCertificate>
#include <QSslKey>

class SecureNetworkExample {
public:
    static void createSecureConnection() {
        QSslSocket* socket = new QSslSocket();
        
        // Настройка SSL/TLS
        connect(socket, &QSslSocket::encrypted, []() {
            qDebug() << "Соединение зашифровано";
        });
        
        connect(socket, &QSslSocket::sslErrors, [](const QList<QSslError>& errors) {
            for (const QSslError& error : errors) {
                qDebug() << "SSL ошибка:" << error.errorString();
            }
        });
        
        // Подключение к HTTPS серверу
        socket->connectToHostEncrypted("api.github.com", 443);
        
        // Проверка сертификата
        connect(socket, &QSslSocket::peerVerifyError, [](const QSslError& error) {
            qDebug() << "Ошибка проверки сертификата:" << error.errorString();
        });
        
        socket->setPeerVerifyMode(QSslSocket::VerifyPeer);
    }
    
    static void loadCertificates() {
        QSslSocket* socket = new QSslSocket();
        
        // Загрузка клиентского сертификата
        QList<QSslCertificate> certificates = QSslCertificate::fromPath("client.crt");
        if (!certificates.isEmpty()) {
            socket->setLocalCertificate(certificates.first());
        }
        
        // Загрузка приватного ключа
        QFile keyFile("client.key");
        if (keyFile.open(QIODevice::ReadOnly)) {
            QSslKey privateKey(keyFile.readAll(), QSsl::Rsa);
            socket->setPrivateKey(privateKey);
        }
    }
};

Производительность и оптимизация

Советы по оптимизации сетевых приложений

1. Используйте буферы нужного размера

   socket->setReadBufferSize(64 * 1024); // 64KB буфер
   

2. Объединяйте маленькие сообщения

   socket->write(message1);
   socket->write(message2);
   socket->flush(); // Принудительная отправка
   

3. Используйте сжатие данных

   QByteArray compressed = qCompress(data, 9); // максимальное сжатие
   

4. Реализуйте пул соединений

   class ConnectionPool {
       QList<QTcpSocket*> availableSockets;
       // Управление пулом соединений
   };
   

Лучшие практики

1. Обработка ошибок

• Всегда проверяйте возвращаемые значения
• Используйте сигналы об ошибках
• Логируйте важные события

2. Безопасность

• Используйте шифрование (SSL/TLS)
• Проверяйте входные данные
• Реализуйте аутентификацию

3. Производительность

• Используйте асинхронные операции
• Реализуйте кэширование
• Оптимизируйте размер пакетов

4. Масштабируемость

• Используйте многопоточность
• Реализуйте балансировку нагрузки
• Применяйте паттерны проектирования

Резюме

Ключевые концепции

• Сокеты - основа сетевого взаимодействия
• Qt Network - мощный инструментарий для сетевого программирования
• TCP vs UDP - выбор протокола в зависимости от задачи
• Безопасность - важный аспект сетевых приложений
• Асинхронность - ключ к отзывчивым приложениям

Дальнейшее изучение

• Многопоточные сетевые приложения
• Веб-сокеты (WebSockets)
• Пиринговые сети (P2P)
• Облачные технологии
• Микросервисная архитектура

Вопросы для самопроверки

1. В чем различие между TCP и UDP?
2. Какие классы Qt используются для HTTP-запросов?
3. Как обрабатывать сетевые ошибки?
4. Что такое прокси-сервер и как его реализовать?
5. Как обеспечить безопасность сетевого соединения?