[네트워크] 12. 네트워크 프로그래밍

12. 네트워크 프로그래밍

01 소켓의 주소 체계

소켓: 운영체제에서 제공하는 통신 프로토콜을 편리하게 사용할 수 있도록 도와줌

1. 소켓 주소

프로토콜 종류에 따라 다양한 방식으로 주소 부여

유닉스 주소 체계

AF_UNIX

하나의 호스트 내부에서 실행되는 프로세스 사이의 통신 지원

파일 시스템의 경로명 기반 주소 체계

struct sockaddr_un {
    short sun_family;
    char sun_path[108];
};

sun_family: 유닉스 주소 체계, AF_UNIX 값

sun_path: 소켓을 구분하는 주소, 파일 시스템의 경로명 기록

인터넷 주소 체계

서로 다른 호스트에서 실행되는 프로세스 사이의 통신 지원

AF_INET로 표시

소켓이 생성되는 호스트의 IP 주소와 포트 번호를 조합하여 소켓 주소 표현

struct sockaddr_in {
    short sin_family; /* AF_INET 인터넷 주소 체계 */ 
    u_short sin_port; /* 포트 번호 */
    short in_adr sin_addr; /* IP 주소 */
    char sin_zero[8];
};

struct in_addr {
    u_long s_addr; /* IP 주소 기록, u_long 형의 s_addr 필드로 재지정됨*/
};

특정 프로세스를 구분하는 유일한 주소: IP 주소+포트 번호의 조합

통합 주소 체계

소켓 주소 체계는 전송 계층의 프로토콜에 따라 달라짐

소켓 주소: 통일된 형식의 소켓 시스템 콜을 통해 사용

여러 소켓 구조체를 통합해 일반 구조체 하나로 정의

struct sockaddr {
    u_short sa_family; /* AF_UNIX, AF_INET, ... */
    char sa_data[14];
};

struct sokaddr_in addr; /* 인터넷 주소 체계 */
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* IP 주소 */
addr.sin_port = htons(5010); /* 포트 번호 */
bind(socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)); 
/* bind는 통신 프로토콜의 종류와 관계없이 공통으로 사용, 
두 번째 매개변수(주소값) 특정 주소 체계로 고정하여 정의할 수 없음
sockaddr과 같은 공통 주소 체계로 형 변환하여 문법의 통일성 유지 */

2. 소켓 서비스

제공하는 서비스에 따른 소켓 유형도 다양함

• SOCK_STREAM: 연결형 서비스, TCP 프로토콜에 대응
• SOCK_DGRAM: 비연결형 서비스, UDP 프로토콜에 대응
• SOCK_RAW: IP 프로토콜을 직접 사용

3. 소켓의 기본 함수

• socket: 소켓 생성
• bind: socket() 함수로 생성된 소켓에 주소 부여
• listen: 소켓 활성화, 서버 프로세스에서 실행
• accept: 소켓에서 클라이언트의 연결 요구가 들어올 때까지 대기, 연결 설정 요구가 발생하면 연결 생성
• connnect: 클라이언트 프로세스에서 사용, 서버와 연결 설정 시도
• send: 연결형 서비스를 제공하는 환경에서 데이터 전송
• recv: 연결형 서비스에서 데이터 수신

02 소켓 시스템 콜

TCP, UDP 사용을 위해 소켓 시스템 콜이라는 라이브러리 함수 이용

소켓: 통신을 원하는 프로세스에 할당되는 자원, 고유의 소켓 주소 부여

소켓=포트라고도 부름

1. socket() 함수

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain: 사용할 프로토콜의 도메인

type: 서비스 유형 (SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM) 등

protocol: 대개 0으로 지정해서 시스템에서 적절한 프로토콜을 선택하도록 설정

헤더 파일: 함수를 사용하기 위한 관련 정보가 포함 -반드시 포함해야 함

sd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0); /* 유닉스 주소 연결형 서비스 */
sd = socket(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0); /* 유닉스 주소 비연결형 서비스 */
sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); /* 인터넷 주소 연결형 서비스 */
sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* 인터넷 주소 비연결형 서비스 */

인터넷 연결형 서비스: TCP 프로토콜용 소켓 할당, 비연결형 서비스: UDP 프로토콜용 소켓 할당

2. bind() 함수

socket() → 소켓 생성, 소켓 디스크립터가 반환됨

bind(): 디스크립터를 이용해 상대 프로세스와 통신하려면 생성된 소켓에 주소 부여

ex. 스마트폰 자체를 소켓으로 본다면 스마트폰을 통신 회사에 등록하여 전화번호를 부여하는 기능

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int s, const struct socakddr *name, socklen_t *namelen);

s: socket() 함수 반환 값, 소켓 디스크립터 번호

name: 바인딩할 소켓 주소

namelen: name에 보관된 주소의 크기

유닉스 도메인의 예

int sd;
struct sockaddr_un addr;

sd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
if (sd == -1) }
        perror("socket");
        exit(1);
}

addr.sun_family = AF_UNIX;
strcpy(addr.sun_path, "/tmp/sock_addr");

if (bind(sd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -) {
        perror("bind");
        exit(1);
}

데이터 전송에 사용할 소켓 생성, 반환값을 sd에 보관

유닉스 도메인 연결형 서비스를 지원하는 소켓 생성

sockaddr_un 구조체를 이용해 addr 변수 선언 → 주소 값 보관

bind함수: 생성된 소켓의 주소를 /tmp/sock_addr로 지정

인터넷 도메인의 예

AF_INET: 호스트의 IP 주소와 포트 번호를 이용해 주소 표기

bind() 함수에서 사용하는 IP 주소는 프로그램이 실행되는 호스트의 IP 주소

int sd;
struct sockaddr_in addr;

sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sd == -1) }
        perror("socket");
        exit(1);
}

addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(5010);

if (bind(sd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -) {
        perror("bind");
        exit(1);
}

INADDR_ANY라는 호스트 주소 표기 방법: 프로세스가 실행되는 로컬 호스트 자체 의미 → 호스트의 IP 주소로 자동 대체됨

htonl(), htons() 함수: 컴퓨터 사이의 바이트 저장 순서 차이에 따른 문제점 해결

3. listen() 함수

서버 프로세스에서 실행

s가 가리키는 소켓에서 대기할 수 있는 클라이언트의 연결 요청 개수 지정

일반적으로 연결형 서비스에서 사용

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int listen(int s, int backlog);

int sd;
struct sockaddr_in addr;

sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sd == -1) }
        perror("socket");
        exit(1);
}

addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(5010);

if (bind(sd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -) {
        perror("bind");
        exit(1);
}

if (listen(sd, 5) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
}

4. accept() 함수

연결형 서비스를 지원하는 서버 프로세스가 클라이언트의 연결 요청을 받으려면 accept() 함수에서 대기

서버 프로세스: accept() 함수를 시행해 클라이언트의 요청을 기다림

클라이언트 프로세스의 connect() 요청이 발생하면 연결이 설정됨

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

addr 변수에 연결을 요청한 클라이언트의 소켓 주소 반환

성공적으로 연결되면 별도의 소켓이 만들어짐 → 클라이언트와 통신할 때 사용

socket() 함수에 의해 생성된 소켓: 연결 요청을 받는 목적

int sd, new;
struct sockaddr_in addr;
struct sockaddr_in client;

sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM 0);
if (sd==-1) {
        perror("socket");
        exit(1);
}

addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(5010);

if (bind(sd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -) {
        perror("bind");
        exit(1);
}

if (listen(sd, 5) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
}

while ((new = accept(sd, (struct sockaddr *)&client, &client_len)) != -1) {
        if (fork() == 0) {
            /* 자식 프로세스 */
            close(sd);
            work(new);
            close(new);
            exit(0);
        }
        /* 부모 프로세스 */
        close(new);
}

클라이언트 프로세스와 연결이 이루어지면 하위의 자식 프로세스를 생성해 클라이언트와 통신

자신은 accept()에서 다시 대기함

5. connect() 함수

연결형 서비스에서 클라이언트 프로세스가 서버 프로스에 연결 요청을 할 때

서버 프로세스는 자신의 바인드된 주소를 공개해야 클라이언트가 서버에 연결을 시도할 수 있음

클라이언트는 자신의 주소를 공개하지 않아도 됨 → bind() 함수 실행x, 대신 임의의 주소가 자동 할당

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int connect(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen);

int sd, new;
struct sockaddr_in addr;

sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM 0);
if (sd==-1) {
        perror("socket");
        exit(1);
}

addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(inet_addr("211.223.201.30");
addr.sin_port = htons(5010);

if (connect(sd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("connect");
        exit(1);
}

connect() 함수가 성공적으로 실행되면 클라이언트와 서버 사이에 연결 설정

클라이언트 프로세스는 변수 sd가 가리키는 소켓을 사용해 데이터 송수신 가능

IP 주소의 변환: inet_addr() 함수가 수행 (십진수와 이진수 표기 변환)

• inet_addr(): 십진수 → 32비트
• inet_ntoa(): 32비트 → 십진수

6. send() 함수

소켓 연결이 일워진 후 데이터 전송

send(): 연결형 서비스, sendto(): 비연결형 서비스

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int s, const void *msg, size_t len, int flags); 
ssize_t sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags
        , const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

s: 클라이언트와 서버 사이의 연결 설정이 완료된 상태의 소켓 (accept, connect 함수가 성공적으로 실행)

msg: 전송되는 데이터

to, tolen: 비연결형 서비스에서 수신 프로세스의 소켓 주소 표기

if (send(sd, data, length, 0) == -1) {
        perror("send");
        exit(1);
}

7. recv() 함수

recv(), recvform(): 상대 프로세스가 전송한 데이터를 소켓을 통해 읽음

recv(): 연결형, recvform(): 비연결형 서비스

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/uio.h>

ssize_t recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvform(int s, void *buf, size_t len, int flags
                ,struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);

buf: 소켓을 통해 읽은 데이터 저장, 크기 반환

비연결형 서비스: from에 송신 프로세스의 소켓 주소 기록

if (recv(sd, data, length, 0) == -1) {
        perror("recv");
        exit(1);
}

03 클라이언트 서버 프로그래밍

클라이언트 서버 모델: 네트워크 서비스를 제공하는 서비스 제공자와 서비스 이용자 사이의 관계

서버 프로세스: 서비스를 제공하는 프로그램

클라이언트 프로세스: 서버와 연결 시도, 서비스를 제공받는 프로그램

1. 연결형 서비스

소켓: 네트워크 통신을 위한 소프트웨어 교신점

2개의 독립 프로세스가 네트워크를 통해 통신하려면 소켓이 필요

클라이언트와 서버의 동작

서버의 동작 과정

1. 서비스 교신점(호스트 IP 주소, 포트 번호) 공개
2. 클라이언트로부터 발생하는 서비스 요구 대기
3. 클라이언트에 서비스 제공
   1. 서비스 시간이 짧다면 직접 제공
   2. 시간이 길어지면 하위 서버 프로세스 생성
4. 해당 클라이언트에 서비스 제공 완료
5. 2로 이동

클라이언트의 동작 과정

1. 원하는 서비스를 제공하는 서버 확인
2. 해당 서버와 연결 시도
3. 서버에 서비스 요청
4. 서비스 이용 완료

프로그램 컴파일 방법

클라이언트와 서버 프로그램을 따로 컴파일한 후 서버, 클라이언트 순으로 실행

& cc -o time_client time_client.c -lsoket -lnsl
& cc -o time_server time_server.c -lsoket -lnsl

컴파일 → time_client, time_server 실행 파일이 생성됨

2. 비연결형 서비스

connect, accept 함수로 연결을 설정하는 과정이 생략

sendto, recvform 함수 사용

전송 데이터마다 수신자의 소켓 주소를 함께 전송

연결 절차가 생략 → 클라이언트의 sendto() 요청으로 서버가 클라이언트 인지