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Cours programmation réseau en C++

Introduction

Le but de cette série est de démystifier l'utilisation du réseau et de vous permettre d'en profiter dans vos applications. Il s'agit de la version réécrite et améliorée d'un cours dispensé aux étudiants de l'ESGI Paris en 2015.

Chaque partie présente simplement une composante (connexion, envoi de données…) et vous permet de comprendre son fonctionnement, puis de la mettre en pratique immédiatement, via un TP et des codes sources fournis. À la fin de cette série, vous serez en possession des briques élémentaires nécessaires à la mise en place d'échanges réseau dans votre programme, sous forme de classes C++ utilisant l'API socket de votre système.

Dans un premier temps, nous apprendrons à appréhender les échanges en TCP, d'abord en tant que simple client, puis comme serveur.
Ensuite nous verrons l'utilisation d'UDP.
Enfin certaines techniques plus spécifiques aux jeux vidéos seront présentées sous forme d'articles.

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I. Réseau : que cache ce terme ?

La programmation réseau peut avoir une définition différente selon les personnes. Il peut s'agir de développement serveur, client, P2P, web, web services… mais aussi de base de données, d'administration de base de données, ou encore d'administration de serveurs, de mise en place de cron (appelé aussi "crontab"), d'installation des serveurs (de jeu, de lobby…) sur des machines.

Cette liste non exhaustive donne une vision des connaissances liées au domaine du réseau que l'on peut avoir. Les connaissances nécessaires dépendront essentiellement de la société/structure que vous intégrerez : une large structure pourra découper le travail entre plusieurs membres plus spécialisés, là où dans un studio indépendant de petite taille vous vous retrouverez souvent à programmer le serveur, le client, à gérer la base de données, voire installer et gérer les serveurs (machines).

II. Communiquer sur le réseau : une histoire de protocoles

La communication sur internet et sur un réseau de manière générale, est effectuée par des paquets IP (Internet Protocole). Les paquets IP sont ensuite acheminés par le routeur jusqu'à leur destination via les réseaux électriques. Bien que la création de paquets IP directement soit possible, on préférera manipuler des surcouches comme UDP ou TCP.

L'UDP (User Datagram Protocol - protocole de datagramme utilisateur) est un protocole "orienté hors connexion", ou "en mode non connecté". Il s'agit simplement d'envoyer des données à une machine distante telle une bouteille à la mer, en mode " fire and forget ". Les paquets peuvent être perdus et ne jamais arriver, arriver en plusieurs exemplaires ou dans le désordre. La seule garantie est que, si un paquet arrive, il arrive entièrement et non en partie. Dans tous les cas l'expéditeur n'a aucun retour pour le lui indiquer. Pas plus que le destinataire n'a conscience d'une perte ou que ce qu'il reçoit en triple exemplaire est une duplication d'un unique message original.
C'est idéal pour les données dont l'utilité est limitée dans le temps, dans le cas d'un streaming, par exemple, ou d'un jeu vidéo où seules les dernières positions nous intéressent.

Le TCP (Transmission Control Protocol - protocole de contrôle des transmissions) est un protocole "orienté connexion", ou "en mode connecté" et est un flux bidirectionnel : quand A est connecté à B, B est également connecté à A. De plus, il s'agit d'un protocole dit "fiable" puisqu'il nous assure que toutes les données envoyées seront reçues sans perte et dans le bon ordre. Tant que la connexion n'est pas perdue entre les deux parties, elles finiront forcément par arriver.
TCP sera principalement utilisé dans les architectures client/serveur, lorsqu'une connexion continue avec le serveur distant (et donc du serveur vers le client) est nécessaire. Mais la mise en place de ce mécanisme a un coût, notamment en temps nécessaire à l'acheminement des données.

D'autres protocoles basés sur IP existent, vous pouvez en voir la liste complète ici : https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_IP_protocol_numbers. En pratique, vous utiliserez toujours TCP ou UDP, sauf si vous travaillez dans une branche extrêmement précise (ICMP pour la gestion des erreurs, par exemple). Aussi ils ne seront pas abordés dans ce cours qui traite uniquement de TCP et UDP.

III. Multithreading

Le code réseau se retrouve le plus souvent en milieu multithread. Pour un serveur, il pourra s'agir d'un thread qui écoute les connexions et d'un autre qui gère les données qui arrivent. Chez un client on pourra recevoir en continu les données dans un thread dédié afin qu'un autre (éventuellement le thread principal) puisse en disposer quand il le souhaite et qu'elles sont prêtes.

Comme bibliothèque de threading je vous propose TBB (Threading Building Block).
Ou tout simplement la bibliothèque standard qui le propose désormais.

Les seules fonctions nécessaires seront :

Les verrous sont à éviter autant que possible : ils entraînent une baisse de performances, de la contention et, dans le pire des cas non maîtrisé, un deadlock. Toutefois, il existe des cas où leur utilisation est indispensable et je vous invite à savoir les utiliser plutôt qu'à les craindre.

IV. Portée du cours

Le cours vous permettra de mettre en pratique des échanges via TCP ou bien UDP en C++, en utilisant l'API socket (nommée winsock2 sur Windows), qui est en C.
Chaque partie vous présentera les fonctions nécessaires à sa réalisation, directement suivi d'un TP de mise en pratique pour les appliquer immédiatement.
Travaillant sous Windows, et puisqu'il s'agit du principal écosystème sur lequel les professionnels travaillent, je vous conseille Visual Studio comme IDE. Il est disponible gratuitement pour les étudiants d'universités appartenant à l'Academic Alliance (MSDNAA, renseignez-vous auprès de votre école), mais aussi à tous en version Express/Community.
Les codes fournis sont testés sous Visual Studio 2013 et 2015 sous Windows 10 et devraient fonctionner sous Unix et iOS, et les précédentes versions de Windows.

V. Chapitres

VI. Remerciements

Merci à LittleWhite, Francis Walter et François DORIN pour les relectures techniques.

Ainsi qu'à jacques_jean, f-leb, ClaudeLELOUP et Malick SECK pour les corrections orthographiques.

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