Socket Programming (소켓 프로그래밍) (1)

API

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API란 시스템이 어플리케이션에 제공하는 인터페이스이다.

API에는 여러 종류가 있는데 우리는 TCP/IP에서 쓰이는 다양한 API중 Sokcet에 대해 알아 볼 예정이다.

 

TCP/IP에 쓰이는 API는 Socket말고도 TLK, XTI, Winsock, MacTCP등 여러 종류가 있다.

 

Sokcet

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소켓은 다섯개의 componet와 관련이 있다.

또한 아래의 함수들은 <sys/types.h> 헤더파일과 <sys/socket.h> 헤더파일에 존재한다.

 

 

1. Protocol

  - 어떤 프토토콜을 사용할 건지

  - socket()함수의 argument로 어떤 프로토콜을 사용할 건지 알려준다.

2. Source's address and port number 

  - 보내는 곳의 주소와 포트넘버

  - socket()함수는 socket descriptor(OS에서의 file descriptor와 같다)를 반환하는데, 이 socket descriptor와 source의 주
    소, 포트넘버를 bind()함수로 연관시킨다.

3. Destination's address and port number

  - 받는 곳의 주소와 포트넘버

  - TCP(연결지향)에서는 connect()함수로 socket descriptor와 des의 주소, 포트넘버를 묶는다.

  - UDP(비연결지향)에서는 sendto()함수의 argument로 목적지의 주소와 포트넘버만 넣어서 보낸다. 

 

 

Creating a socket

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다음 함수를 통해 소켓을 생성할 수 있다.

int socket(int family, int type, int protocol)

 

 

 

 

family : 어떤 프로토콜 family를 사용할 건지

type : 해당 family중에서 어떤 type을 사용할 건지

   - SOCK_STREAM : TCP // SOCK_DGRAM : UDP

protocol : 해당 type중에서 어떤 protocol을 사용할 건지

 

 

 

 

socket()은 system call로, 반환값은 socket descriptor이다. 이때 소켓생성에 실패하면 -1을 반환한다.

 

다음과 같이 생성할 수 있다.

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

int sockfd;

if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { // IPv4에서의 TCP사용
	/* print “socket error + the error message */
	perror(“socket error”); exit(1);
}

 

 

Binding the local address

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bind()함수는 다음과 같이 사용할 수 있다.

소켓에 주소를 할당해주기 위한 시스템 콜이다.

보통 server쪽에서 하고 client에선 하지 않는다. (client에선 무작위로 port number 할당)

int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, int addr_len)

 

int sockfd : 생성 소켓(socket())에서 반환된 socket descriptor 

struct sockaddr *addr : socket의 구조체 포인터 (자신의 address와 port number가 들어있음)

int addr_len : 구조체의 길이

 

성공시 0을 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

 

소켓 구조체는 다음과 같이 이루어져 있다.

#define <netinet/in.h>

struct sockaddr {
  u_char sa_len; /* length : used in kernel */
  u_short sa_family; /* address family */
  char sa_data[14]; /* address */
}

 

위의 sockadrr를 인터넷에서 쓰기위한, 그리고 sa_dat[14]를 조금 더 세분화해서 나눈 sockaddr_in도 있다.

// <netinet/in.h> 헤더파일에 정의되어 있다.

struct sockaddr_in {
  u_char sin_len; /* length */
  u_short sin_family; /* AF_INET */
  u_short sin_port; /* port number */        //2byte
  struct in_addr sin_addr; /* IP addess */   //4byte
  char sin_zero[8]; /* unused */             //8byte
}
struct in_addr {
	u_long s_addr; /* 32 bit IP address */
}

 

앞선 sa_data 14byte짜리를 sin_port(2byte) + sin_addr(4byte) + sin_zero(8byte)로 나눈 모습이다.

 

위 두 종류의 차이를 비교해보면 다음과 같다.

 

 

왼쪽이 sockaddr

오른쪽이 sockaddr_in

 

사실 두개는 같지만 오른쪽에서 sa_data를 나누어 필요한 6byte에만 포트넘버와 주소를 넣고 나머지는 0으로 채워넣는 것을 볼 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

다음과 같이 사용할 수 있다.

 

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MYPORT 50000  // 나의 포트넘버

int sockfd;
struct sockaddr_in my_addr;  //socket 구조체 선언
if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  //소켓 생성
	perror(“socket error”); 
    exit (1); 
}

memset(&my_addr, 0, sizeof(my_addr));   //socket 구조체 초기화

my_addr.sin_family = AF_INET;     //address family
                                  //PF_INET과도 같지만 정확히는 AF_INET                              
my_addr.sin_port = htons(MYPORT); /*나의 포트넘버를 htons()를 통해 변환
                                    htons는 host에서 사용하는 number를 network에서 사용가능하도록
                                    short하게 변환함*/
                                  
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* INADDR_ANY는 현재 나의 주소 반환
                                                htonl은 host에서 사용하는 주소를 network에서 사용가능하도록
                                                long하게 변환함*/

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr)) < 0) {
	perror(“bind error” ); 
    exit(1);
}

코드에서 htons와 htonl이 있는 이유는 Byte odering(big endian, little endian)을 위해 존재한다. (네트워크상과 호스트상의 endian방식이 다름)

 

Name-to-Address Conversion

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앞선 예제에서 INADDR_ANY와 같이 주소를 바로넘겨줄 수 도 있지만, 이름만 알고 있을 때 그 이름을 주소로 바꾸는 과정이 필요하다. 또한 반대로 주소를 알고 있을 때, 호스트의 이름을 얻을 수도 있다.

 

이때 필요한 함수가 gethostbyname()과 gethostbyaddr()이다.

이 두 함수는 <netdb.h>헤더파일에 포함되어 있다.

 

호스트 네임을 통해 주소를 알기 위해선 다음함수가 필요하다.

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

 

 

 

호스트 주솔를 통해 네임을 알기 위해선 다음함수가 필요하다.

struct hostent *gethostbyaddr(const char *addr, int length, int type);

 

위 두함수를 자세히 보면 hostent라는 구조체의 포인터를 반환하는데 이 구조체는 다음과 같이 구성되어 있다.

#define h_addr haddr_list[0]
struct hostent {
  char *h_name; /* host name */
  char **h_alias; /* list of alternate names */
  int h_addrtype; /* type of address = 2 (=AF_INET) */
  int h_length; /* address length = 4 for IPv4 */
  char **h_addr_list;; /* address list */
};

 

위 두 함수에 대한 예제는 다음과 같다.

/*gethostbyname*/
struct hostent *phost;                 
struct in_addr **addr_list;
if ((phost = gethostbyname(“www.handong.edu”)) == NULL) {
	perror("gethostbyname");
	return 1;
}
// print information about this host:
printf("Official name is: %s\n", phost->h_name);
printf(" IP addresses: ");
addr_list = (struct in_addr **)phost->h_addr_list;
for(i = 0; addr_list[i] != NULL; i++) {
	printf("%s ", inet_ntoa(*addr_list[i]));
}
printf("\n");

/*gethostbyaddr*/
struct hostent *phost;
struct in_addr addr;

inet_aton(“203.252.97.12", &addr);

phost = gethostbyaddr(&addr, sizeof(addr), AF_INET);
printf("Host name: %s\n", phost->h_name);

 

 

IP Address Manupulation

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위 함수를 통해 네임을 binary한 주소로 바꿨다면 우리가 알아볼 수 있게 printable하게도 변환할 수 있어야 좋을 것이다. (e.g. 255.0.0.1) 이를 Dotted decimal이라고 한다.

 

IP 주소를 dotted decimal로 바꿔주는 함수

char *inet_ntoa(struct in_addr address);

inet(인터넷의) ntoa(network에서 아스키로) 즉, binary한 주소를 dotted decimal로 바꿔준다.

 

 

또한 반대로 dotted decimal을 IP 주소로 바꿀 수도있다.

두 가지 방법이 있다.

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp); //return 0 if error

*cp에 dotted decimal을 넣으면 *inp 구조체 안에 변환된 주소를 넣어준다.

 

parameter로 넘겨준 구조체 안에 넣어주는 방식이 아닌 바로 IP주소를 리턴해주는 방식도 있다.

u_long inet_addr(char *dottedAddress); //return -1 if error

이때 주의할 점은 반환형이 unsigned_long이기 때문에 -1를 리턴하면 0xfffff... 로 리턴이 될텐데 이를 dotted decimal로 표현하면 255.255.255.255이다. 

그러나 실제로 255.255.255.255를 쓰는 곳이 있기 때문에 error가 발생했는지 실제 주소가 255.255.255.255인지 판별할 수가 없을 경우가 생긴다.

이럴때는 위의 inet_aton()을 사용한다.

 

예제는 다음과 같다.

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet.h/in.h>
#include <arpa.h>

struct sockaddr_in my_addr;

memset(&my_addr, 0, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(MYPORT);

inet_aton(“10.12.110.57”, &(my_addr.sin_addr));
/* my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(“10.12.110.57”); */ 

printf(“%s”, inet_ntoa(my_addr.sin_addr);

위 코드처럼 inet_aton()함수를 써도 되고 주석된 line처럼 inet_addr를 통해 반환해도 된다.

 

 

지금까지의 변환 과정을 그림으로 보면 다음과 같다.

 

 

 

Connect

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서버가 bind를 한 뒤에 서버는 connect를 해야한다. (서버에 연결요청)

성공시 0을, 실패시 -1을 리턴한다.

 

3-handshaking 과정을 통한 커넥션을 요청하는 것이기 때문에 TCP에 사용된다.

 

근데 아주가끔 UDP에도 사용된다고 한다.

- sendto()함수를 쓸 때 목적지의 정보를 넣어야 하는데 보낼때마다 가져오기 귀찮으니까 connect를 한번 하고(실제 데이터 전송은 없음) 그때 얻은 정보를 계속 사용

 

int connect(int sd, struct sockaddr *addr, int addr_len);

이때 addr은 서버의 address이다.

 

 

사용 예제는 다음과 같다.

 

#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#define DEST_IP “10.12.110.57”
#define DEST_PORT 23

int sockfd;
struct sockaddr_in dest_addr;
if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
	/* error */ 
}

memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_port = htons(DEST_PORT);
dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DEST_IP);

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) !=0 ) {
	close(sockfd);
	return -1;
}

 

 

Listen

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서버가 bind를 한 뒤에 client로부터 request를 기다리는 과정이다.

 

성공시 0을, 실패시 -1을 리턴한다. 

connection request를 기다리는 함수기 때문에 TCP에만 사용된다.

 

int listen(int sd, int backlog);

sd는 바인딩할때 사용했던 socket descriptor이다.

backlog는 connection을 할때 queue에 몇개까지의 request를 pending상태로 놓을 것인지에 대한 사이즈인데 대개 5로 놓고 사용하고, 구현에 따라 맞지않는 경우도 많다고 한다.

 

 

Accpet

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listen상태에 있는 서버가 client로부터 connection을 받아들이는 함수이다.

이 역시 TCP에서만 사용한다.

 

성공시 새로운 socket descriptor를 반환하고, 실패시 -1을 반환하다.

이때 왜 새로운 socket descriptor를 반환하냐?

TCP는 1:1통신을 지원하는데 한 서버가 클라이언트1과 통신한 후에 클라이언트2와 새로 통신하는 것을 구별하기 위함이다.

 

int accept(int sd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);

addr은 client의 주소정보이다.

 

 

 

지금까지 알아보았던 과정(상태)을 그림으로 나타내면 다음과 같다.

SYN이 왔다는 것은 client가 요청을 connection요청을 보냈다는 것이다.

 

지금까지 나온 과정에 대한 서버에서의 예제코드는 다음과 같다.

잘 따라가보며 이해해보자

#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#define MYPORT 50000
int main()
{
    int sockfd, new_fd;
    struct sockaddr_in my_addr, client_addr;
    int sin_size;
    sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&my_addr, 0, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(MYPORT);
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr));
    listen(sockfd, 5);
    sin_size = sizeof(client_addr);
    new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
    return 0;
}

 

 

지금까지의 과정은 데이터를 전송하기 전 연결을 완료하기 위한 과정이었다.

TCP와 UDP의 각 필요했던 함수들을 정리해보면 다음과 같다.

TCP		UDP
Server	Client	Server	Client
socket()	socket()	socket()	socket()
bind()	connect()	bind()
listen()
accept()

 

여기까지 서버와 클라이언트가 서로 연결되었다.

 

Sending and Receiving data (TCP)

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연결을 마쳤으니 이제 데이터를 실제로 쓰고 읽어야 한다.

 

read()

int read(int fd, char *buf, int buflen)

성공시 읽은 바이트 수를 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

만약 0리턴 시 상대방 측에서 커넥션을 close한 상태이다.

또한 block성질을 가지기 때문에 데이터가 올때까지 기다리고 있는다.

 

write()

int write(int fd, char *buf, int buflen)

성공시 쓴 바이트 수를 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

 

send()

int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flag)

write()와 똑같다.

성공시 쓴 바이트 수를 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

flag는 보통 0으로 쓴다. 다른걸 쓰는건 못봤다고 하신다.

 

예제를 들자면 다음과 같다.

char *msg = “Hi, Beej!”;
int len, bytes_sent;
len = strlen(msg);
byte_sent = send(sockfd, msg, len, 0);

 

recv()

int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flag)

read()와 똑같다.

성공시 읽은 바이트 수를 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

또한 역시 block성질을 가지고 있고 만약 0리턴시 상대방 측에서 커넥션을 close한 것이다.

flag는 역시 0을 쓴다.

 

자, 그러면 read()/write()와 send()/recv()의 차이는 무엇인가?

없다. 그냥 자기 OS에서 지원해주는 함수 아무거나 쓰면 된다.

 

Sending and Receiving data (UDP)

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sendto()

int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, int flag, struct sockaddr *dstaddr, int addrlen)

UDP에서 사용하는 send함수이다. TCP에서와의 차이점은 목적지의 주소를 넣는 것 뿐이다.

역시 성공시 보낸 byte의 수를 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

 

recvfrom()

int recvfrom(int sockfd, void *buf, int len, int flags, struct sockaddr *srcaddr, int *addrlen)

UDP에서 사용하는 recv함수이다. 

역시 성공하면 읽은 byte수를 리턴하고 실패시 -1을 리턴한다.

UDP의 특성상 여러 client에서 목적지의 주소를 알고 전송하면 해당 목적지는 다 받아버리기 때문에 데이터가 어디에서 왔는지 source에 대한 주소를 저장하는 부분이 있다.

 

 

Close and Shutdown

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close()

int close(int sockfd)

TCP에서 클라이언트가 커넥션을 끊고싶을 때 사용한다.

서버는 클라이언트가 close()상태 인지 어떻게 알까?

만약 클라이언트가 close()를 호출한 상태인데 서버가 recv()를 호출하면 0을 리턴한다.

또한 만약 이상태에서 서버가 클라이언트에게 send()를 보내면 -1(error)를 리턴한다. (클라이언트 쪽에서는 close()상태인데 데이터를 받았으므로 에러 시그널 : SIGPIPE, 서버쪽의 send()의 리턴은 에러 시그널 : EPIPE)

 

 

shutdown()

int shutdown(int sockfd, int how)

연결을 끊는게 아닌 보내거나 받는기능만 닫는 것이다.

이는 how에서 판단한다.

 

how에 올 수 있는 경우는 다음과 같다.

 

이때, 2번(SHUT_RDWR)이 close()와 같다고 생각할 수 있는데 조금 다르다.

close()는 연결 자체를 닫는 것이고 shutdown에서의 SHUT_RDWR은 소켓정보는 유지한 채 보내고 받는 기능만 닫는 것을 의미한다.

 

오른쪽 그림과 같이 서버가 모든 파일을 전송 후에 끝냈다는 신호를 보내고 싶은데 빨간지점에서 close()를 호출해 버리면 EOF를 보낼 수 없다.

 

이런 상황에서 shutdown을 사용해 빨간지점에서 SHUT_WR을 통해 보내는 기능만 닫고 EOF를 받은 클라이언트는 SHUT_RD를 이용해 읽는기능을 닫은 후에 서버가 파란지점에서 최종적으로 close()를 한다.