나예진

1년차 삐약이

피드백 절대 환영합니다 :D

이 글은 윤성우의 열혈 TCP/IP 소켓 프로그래밍(2010)를 읽고 작성하였습니다.

집현전에 있으니까 빌려보는 것도 좋음!

  • 일단 서브젝트 기반으로 필요해보이는 개념들을 정리하고, 실제로 유용했던 개념들에는 따로 ⭐️ 표시를 하겠다.

네트워크 프로그래밍과 소켓의 이해

소켓

  • 프로그래밍에서 네트워크 망의 연결에 사용되는 도구. 의미를 조금 더 확장해서 두 컴퓨터의 연결을 의미하기도 한다

소켓의 생성 과정

  1. 소켓 생성
    • int socket(int domain, int type, int protocol);: 성공 시 파일 디스크립터, 실패 시 -1 반환
  2. IP 주소와 PORT 번호 할당
    • int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);: 성공 시 0, 실패 시 -1 반환
  3. 연결요청 가능상태로 변경
    • int listen(int sockfd, int backlog);: 성공시 0, 실패 시 -1 반환
  4. 연결요청에 대한 수락
    • int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);: 성공 시 파일 디스크립터, 실패 시 -1 반환

소켓의 타입과 프로토콜의 설정

프로토콜

  • 컴퓨터 상호간의 대화에 필요한 통신규약

소켓 생성 함수, socket()

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
// 성공 시 파일 디스크립터, 실패 시 -1 반환
  • domain: 소켓이 사용할 프로토콜 체계(Protocol Family) 정보 전달
  • type: 소켓의 데이터 전송방식에 대한 정보 전달
  • protocol: 두 컴퓨터간 통신에 사용되는 프로토콜 정보 전달

실제 소켓이 사용할 최종 프로토콜 정보는 socket() 함수의 인자 protocol을 통해 전달하도록 되어 있다.
단, domain으로 지정한 프로토콜 체계의 범위 내에서 protocol의 값을 결정해야 한다.

프로토콜 체계(Protocol Family)

  • 소켓이 사용할 프로토콜의 부류 정보 전달
  • sys/socket.h에 선언
이름 프로토콜 체계(Protocol Family)
PF_INET IPv4 인터넷 프로토콜 체계
PF_INET6 IPv6 인터넷 프로토콜 체계
PF_LOCAL 로컬 통신을 위한 UNIX 프로토콜 체계
PF_PACKET Low Level 소켓을 위한 프로토콜 체계
PF_IPX IPX 노벨 프로토콜 체계

소켓의 타입(Type)

  • 소켓의 데이터 전송 방식
  • 연결지향형, 비연결지향형 두 가지 종류가 있다.

연결지향형 소켓(SOCK_STREAM)

  • 중간에 데이터가 소멸되지 않고 목적지로 전송된다.
    • 소켓의 버퍼가 꽉 차더라도 데이터를 전송하는 영역의 소켓이 데이터를 전송하지 않기 때문에 데이터는 소멸되지 않고 재전송하기까지 한다.
  • 전송 순서대로 데이터가 수신된다.
  • 전송되는 데이터의 경계(Boundary)가 존재하지 않는다.
    • 데이터가 채워진 후에 한번의 read 함수 호출을 통해서 데이터 전부를 읽어 들일수도 있고, 한 번의 write 함수호출로 전송된 데이터 전부를 여러 번의 read 함수 호출을 통해서 읽어 들일수도 있다.
  • 소켓 대 소켓의 연결은 반드시 1대 1이어야 한다

즉, 신뢰성 있는 순차적인 바이트 기반의 연결지향 데이터 전송 방식의 소켓

비연결지향형 소켓(SOCK_DGRAM)

  • 전송된 순서에 상관없이 가장 빠른 전송을 지향한다.
  • 전송된 데이터는 손실의 우려가 있고, 파손의 우려가 있다.
  • 전송되는 데이터의 경계(Boundary)가 존재한다.
  • 택배 물건 두 개가 각각 별도의 오토바이에 실려서 목적지로 향하면, 물건을 받는 사람도 두 번에 걸쳐서 물건을 수령해야 한다.
  • 한번에 전송할 수 있는 데이터의 크기가 제한된다.

즉, 신뢰성과 순차적 데이터 전송을 보장하지 않는, 고속의 데이터 전송을 목적으로 하는 소켓

사용 예시

IPv4 인터넷 프로토콜 체계에서 동작하는 연결지향형 데이터 전송 소켓

int tcp_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

주소체계와 데이터 정렬

구조체 sockaddr_in

struct sockaddr_in
{
	sa_family_t    sin_family;  // 주소체계
	uint16_t       sin_port;    // 16비트 TCP/UDP PORT 번호
	struct in_addr sin_addr;    //32비트 IP 주소
	char           sin_zero[8]; // 사용되지 않음
}

  • sin_family

    주소체계(Address Family) 의미
    AF_INET IPv4 인터넷 프로토콜에 적용하는 주소체계
    AF_INET6 IPv6 인터넷 프로토콜에 적용하는 주소체계
    AF_LOCAL 로컬 통신을 위한 유닉스 프로토콜의 주소체계
  • sin_port: 16비트 PORT번호를 네트워크 바이트 순서대로 저장
  • sin_addr: 32비트 IP주소 정보를 저장
  • sin_zero: 구조체 sockaddr_in의 크기를 구조체 sockaddr와 일치시키기 위해 삽입된 멤버로, 반드시 0으로 채워야 함

구조체 in_addr

struct in_addr
{
	in_addr_t s_addr; // 32비트 IPv4 인터넷 주소
}

인터넷 주소의 초기화와 할당

문자열 정보를 네트워크 바이트 순서의 정수로 변환하기

#include <arpa/inet.h>

in_addr_t inet_addr(const char *string);
// 성공 시 빅 엔디안으로 변환된 32비트 정수 값, 실패 시 INADDR_NONE 반환
  • string: “211.214.107.99”와 같이 점이 찍힌 10진수로 표현된 문자열
#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *string, struct in_addr *addr);
// 성공 시 1(true), 실패 시 0(false) 반환
  • string: 변환할 IP주소 정보를 담고 있는 문자열의 주소 값
  • addr: 변환된 정보를 저장할 in_addr 구조체 변수의 주소 값
#include <arpa/inet.h>

char *inet_ntoa(struct in_addr adr);
// 성공 시 변환된 문자열의 주소 값, 실패 시 -1 반환
  • adr: in_addr 구조체 변수
  • 이 함수 호출 후에는 반환된 문자열 정보를 다른 메모리 공간에 복사해 두는 것이 좋다. 다시 한 번 이 함수를 호출하면, 전에 저장된 문자열 정보가 지워질 수 있다.

인터넷 주소의 초기화

struct sockaddr_in addr;
char *serv_ip = "127.0.0.1";    // IP주소 문자열 선언
char *serv_port = "9190";       // PORT 번호 문자열 선언
memset(&addr, 0, sizeof(addr)); // 구조체 변수 addr의 모든 멤버 0으로 초기화
addr.sin_family = AF_INET;      // 주소체계 지정
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serv_ip); // 문자열 기반의 IP주소 초기화
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));    // 문자열 기반의 PORT번호 초기화

INADDR_ANY

서버 소켓의 생성 과정에서 서버의 IP주소를 자동으로 할당한다.

struct sockaddr_in addr;
char *serv_port = "9190";       // PORT 번호 문자열 선언
memset(&addr, 0, sizeof(addr)); // 구조체 변수 addr의 모든 멤버 0으로 초기화
addr.sin_family = AF_INET;      // 주소체계 지정
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(INADDR_ANY); // 문자열 기반의 IP주소 초기화
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));    // 문자열 기반의 PORT번호 초기화

소켓에 인터넷 주소를 할당하는 함수, bind()

#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
// 성공 시 0, 실패 시 -1 반환
  • sockfd: 주소정보를(IP와 PORT를) 할당할 소켓의 파일 디스크립터
  • myaddr: 할당하고자 하는 주소정보를 지니는 구조체 변수의 주소 값
  • addrlen: 두 번째 인자로 전달된 구조체 변수의 길이정보

함수호출이 성공하면 sockfd에 해당하는 소켓에 myaddr 정보가 할당된다.

서버 소켓 초기화의 기본적인 코드 구성

int serv_sock;
struct sockaddr_in serv_addr;
char *serv_port = "9190";

/* 서버 소켓(리스닝 소켓) 생성 */
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

/* 주소정보 초기화 */
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));

/* 주소정보 할당 */
bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

TCP 기반 서버/클라이언트

TCP/IP 프로토콜 스택

tcp_ip_protocol_stack

  • LINK 계층: 네트워크 표준과 관련된 프로토콜을 정의하는 영역 (ex. 호스트 간의 물리적 연결)
  • IP 계층: 데이터 전송 경로를 선택하는 영역
  • TCP/UDP 계층(전송 계층): IP 계층에서 알려준 경로정보를 바탕으로 데이터의 실제 송수신을 담당
  • APPLICATION 계층: 소켓을 이용해서 무언가를 만드는 과정에서 클라이언트와 서버간의 데이터 송수신에 대한 규약을 정하는 영역

TCP 서버에서의 기본적인 함수호출 순서

tcp_server_call_order

연결요청 대기상태로의 진입, listen()

#include <sys/socket.h>

int listen(int sock, int backlog);
// 성공 시 0, 실패 시 -1 반환
  • sock: 연결요청 대기상태에 두고자 하는 소켓의 파일 디스크립터, 이는 서버 소켓(리스닝 소켓)이 됨
  • backlog: 연결요청 대기 큐의 크기 정보로, 5로 지정하면 클라이언트의 연결요청을 5개까지 대기시킬 수 있음

클라이언트의 연결요청 수락, accept()

#include <sys/socket.h>

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
// 성공 시 생성된 소켓의 파일 디스크립터, 실패 시 -1 반환
  • sock: 서버 소켓의 파일 디스크립터
  • addr: 연결을 요청한 클라이언트의 주소 정보
  • addrlen: addr에 전달된 주소의 변수 크기를 바이트 단위로 전달, 단 크기 정보를 변수에 저장한 다음에 변수의 주소 값을 전달

TCP 기반 서버, 클라이언트의 함수호출 관계

server_client_flow

소켓의 우아한 연결종료

소켓의 다양한 옵션

멀티프로세스 기반의 서버 구현

프로세스간 통신

IO 멀티플렉싱

다양한 입출력 함수들

멀티캐스트 & 브로드캐스트

소켓과 표준 입출력

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참고