BSD Socket API(Application Programming Interface)를 이용한 프로그래밍
소켓은 소프트웨어로 작성된 통신 접속점이다. 네트워크 응용 프로그램은 소켓을 통하여 통신망으로 IP 패킷을 송수신하게 된다. 소켓은 응용 프로그램에서 TCP/IP 계층을 이용하는 창구 역활을 하고 있으며 응용 프로그램과 소켓 사이의 인터페이스를 소켓 인터페이스라고 한다.
유닉스에서 파일을 열면(open) int 타입의 정수를 리턴하는데 open문이 리턴한 정수를 파일기술자(file descriptor)라고 하며 프로그램에서 이 파일을 액세스할 때 해당 파일 기술자를 사용하면 된다. 파일기술자는 기술자 테이블(descriptor table)의 index 번호인데, 기술자 테이블이란 현재 open되어 있는 파일의 각종 정보를 포함하고 있는 구조체를 가리키는 포인터들로 구성된 테이블이다.
프로그램에서 소켓을 개설하면 파일기술자와 똑같은 기능을 하는 소켓기술자(socket descriptor)가 리턴되며 응용 프로그램에서 이 소켓을 통하여 목적지 호스트와 패킷을 송수신할 때 이 소켓기술자(소켓번호)를 사용하게 된다.
소켓을 이용하는 네트워크 응용 프로그램에서 상대방 세션과 IP 패킷을 주고받기 위해서는 다음의 다섯 가지 정보가 정해져야 한다.
1. 통신에 사용할 프토토콜(TCP 또는 UDP)
2. 자신의 IP 주소
3. 자신의 포트 번호
4. 상대방의 IP 주소
5. 상대방의 포트 번호
소켓 프로그래밍에서 첫번째로 해야 할 일은 통신 창구 역활을 하는 소켓을 만드는 것이다. 이것은 클라이언트와 서버에서 모두 필요한데 이를 위하여 socket() 시스템 콜을 이용한다. socket()이 성공적으로 수행되면 새로 만들어진 소켓번호를 리턴한다.
int socket
(
int domain, /* 프로토콜 체계 */
int type, /* 서비스 타입 */
int protocol /* 소켓에서 사용할 프로토콜 */
);
domain:
PF_INET 인터넷 프로콜 체계 사용
PF_INET6 IPv6 프로토콜 체계 사용
PF_UNIX 유닉스 방식의 프로토콜 체계 사용
PF_NS XEROX 네트워크 시스템의 프로토콜 체계 사용
PF는 Protocol Family
type: 서비스 타입
SOCK_STREAM 스트림 방식의 소켓 생성
SOCK_DGRAM 데이터그램 방식의 소켓 생성
SOCK_RAW raw 모드의 소켓 생성
protocol: 구체적인 프로토콜을 선택할 때 사용하는데 대부분의 응용 프로그렘에서는 0으로 지정하면 된다.
소켓을 이용하는 통신 객체(클라이언트 또는 서버)의 구체적인 주소를 표현하기 위해서는 주소 체계(address family), IP 주소, 포트 번호 세 가지가 지정되어야 하며 이 세 가지 정보를 소켓주소(socket address)라고 부른다. 소켓 프로그래밍에서는 소켓주소를 담을 구조체 sockaddr을 다음과 같이 정의하였으며 이것은 2바이트의 address family와 14바이트의 주소(IP 주소 + 포트 번호)로 구성되어 있다.
struct sockaddr
{
u_short sa_family; /* address family */
char sa_data[14]; /* 주소(IP 주소 + 포트 번호) */
};
그런데 위에 정의된 sockaddr 소켓주소 구조체에 IP 주소, 포트 번호 등을 직접 쓰거나 읽기가 불편하므로 인터넷 프로그래밍에서는 sockaddr 구조체를 사용하는 대신 4바이트의 IP 주소와 2바이트의 포트 번호를 구분하여 액세스 할 수 있는 인터넷 전용 소켓주소 구조체 sockaddr_in을 주로 사용한다. 아래에 sockaddr_in 구조체의 정의를 나타냈는데 여기서는 다시 32비트의 IP주소를 저장하는 구조체 in_addr를 사용하고 있다.
struct in_addr
{
u_long s_addr; /* 32비트의 IP 주소를 저장할 구조체 */
}
struct sockaddr_in
{
short sin_family; /* 주소 체계 */
u_short sin_port; /* 16비트 포트 번호 */
struct in_addr sin_addr; /* 32비트 IP 주소 */
char sin_zero[8]; /* 전체 크기를 16바이트로 맞추기 위한 dummy */
}
sockaddr_in에서 주소 체계 sin_family로 선택할 수 있는 대표적인 것은 다음과 같으며 인터넷 주소 체계를 사용하려면 AF_INET을 선택하면 된다.
sin_family:
AF_INET 인터넷 주소 체계
AF_UNIX 유닉스 파일 주소 체계
AF_NS XEROX 주소 체계
AF는 address family(주소 체계)를 나타내는데, socket()으로 소켓을 개설할 때 프로토콜을 PF_INET 즉, 인터넷으로 지정한 경우에는 주소 체계로 AF_INET만을 사용할 수 있다. 한편 이 두 상수 PF_INET과 AF_INET의 값은 모두 2로 같으므로 편의상 이 두 표현을 혼용하기도 한다.
소켓프로그래밍의 개요
TCP(연결형) 소켓 프로그래밍 절차
클라이언트-서버 통신 모델에서는 항상 서버 프로그램이 먼저 수행되고 있어야 하는데, 서버는 socket()을 호출하여 통신에 사용할 소켓을 하나 개설하고 이 때 리턴된 소켓번호와 자신의 소켓주소를 bind()를 호출하여 서로 연결시켜 둔다. 서버에서 bind()가 필요한 이유는 소켓번호는 응용 프로그램이 알고 있는 통신 창구 번호이고, 소켓주소는 네트워크 시스템이 알고 있는 주소이므로 이들의 관계를 묶어 두어야(bind) 응용 프로세스와 네트워크 시스템간의 패킷 전달이 가능하기 때문이다.
다음에 서버는 listen()을 호출하여 클라이언트로부터의 연결 요청을 기다리는 수동 대기모드로 들어가며, 클라이언트로부터 연결요청이 왔을 때 이를 처리하기 위하여 accept()를 호출한다. 서버는 accept() 시스템 콜에서 기다리고 있다가 클라이언트가 connect()를 호출하여 연결요청을 해오면 이를 처리한다. 이 때 연결이 성공적으로 이루어지면 서버와 클라이언트가 데이터를 송수신할 수 있게 된다.
한편 클라이언트는 socket()을 호출하여 소켓을 만든 후 bind()를 부를 필요 없이, 서버에게 연결 요청을 보내기 위하여 connect()를 호출한다. 이 때 클라이언트는 접속할 상대방 서버의 소켓주소 구조체를 만들어 connect()의 함수 인자로 주어야 한다.
클라이언트에서 bind()를 호출할 필요가 없는 이유는 클라이언트 프로그램은 자신의 IP 주소나 포트 번호를 다른 클라이언트 또는 서버가 미리 알고 있을 필요가 없기 때문이다. 즉, 대부분의 클라이언트는 포트 번호를 특정한 값으로 지정할 필요가 없다. 그러나 서버는 미리 지정한 포트 번호를 통하여 클라이언트가 알고 있는 포트 번호를 bind()로 연결해 두는 것이 필수적이다.
클라이언트가 bind()를 사용하면 오히려 클라이언트 프로그램의 범용성이 떨어지게 되는데 왜냐하면 같은 포트 번호를 사용하는 클라이언트 프로그램이 하나의 컴퓨터에 두 개 이상 실행되면 포트 번호 중복 사용으로 인하여 에러가 발생하기 때문이다.
클라이언트 프로그램
클라이언트는 connect()를 호출하기 전에 연결하고자 하는 서버의 주소를 지정하여야 하는데, 4바이트의 IP 주소와 2바이트의 포트 번호를 포함하는 소켓주소 구조체 sockaddr_in를 작성하여야 한다. 이 서버의 소켓주소 구조체를 사용하여 서버에게 접속을 요청하기 위하여 connect()를 호출한다. connect()는 상대방 즉, 서버의 IP 주소와 포트 번호를 명시하여 socket()으로 얻은 소켓번호로 호출하면 된다.
int connect(int s, const struct sockaddr *addr, int addrlen);
connect()를 호출하면 TCP가 소켓주소 구조체 *addr에 지정된 서버의 IP 주소와 포트 번호로 연결을 시도하여 연결이 성공하면 0을 리턴한다. 실패하면 -1을 리턴하며 전역변수 errno에 에러코드가 들어 있게 된다. 클라이언트가 호출하는 connect()가 성공적으로 연결되려면 서버에서는 accept()를 호출해 두고 있어야 한다. connect() 시스템 콜 호출 중에 에러가 발생하였을 때는 바로 다시 connect()를 호출하지 말고 소켓을 close()로 닫고 새로운 소켓을 socket()으로 만든 후 사용하는 것이 안전하다. 연결형 클라이언트에서는 connect()를 호출할 때에 TCP가 임의의 포트 번호를 지정해 주기 때문에 bind()를 사용할 필요가 없다.
서버 프로그램 작성
socket() 시스템 콜을 호출하여 생성된 소켓은 그 응용 프로그램 내에서 유일한 번호인 소켓번호를 배정받는다. 그러나 이 번호는 응용 프로그램만 알고 있는 번호이므로 이 프로그램이 컴퓨터 외부와 통신을 하려면 이 소켓번호와 TCP/IP 시스템이 제공하는 소켓주소(IP 주소 + 포트 번호)를 연결해 두어야 하며 이를 위하여 bind()가 사용된다.
int bind(int s, struct sockaddr *addr, int len);
서버에서 bind()가 반드시 필요한 이유는 임의의 클라이언트가 서버의 특정 프로그램이 만든 소켓과 통신을 하려면 그 소켓을 찾을 수 있어야 하며, 따라서 서버는 자신의 소켓번호와 클라이언트가 알고 있는 자신의 IP 주소 및 포트 번호(즉, 서버의 소켓주소)를 미리 서로 연결시켜 두는 것이 필요하기 때문이다.
서버는 클라이언트로부터의 연결요청을 받아들이기 위하여 listen()을 호출해야 한다.
int listen(int s, int log);
위에서 인자 log는 서버에서 accept()를 처리하는 동안 대기시킬수 있는 connect()의 요청 수를 지정한다. 즉, 클라이언트가 요구한 연결요청을 최대 log개까지 기다리게 할 수 있다는 것이다. 예를 들어 listen(s, 2);는 서버가 최대 2개의 connect() 요청을 대시시킬 수 있으며, 세번째 이후의 connect() 요청은 거절하여 클라이언트가 이 사실을 바로 알 수 있도록 해준다. 한편 listen()은 소켓을 단지 수동 대기모드로 바꾸는 것이므로 listen()은 즉시 리턴되는데 성공시에는 0, 실패시에는 -1이 리턴된다.
서버가 listen()을 호출한 이후에 어떤 클라이언트에서 connect()로 이 서버에 연결요청을 보내면 이를 처리하기 위해서 서버는 accept()를 호출해 두어야 한다. accept()의 수행이 성공하면 접속된 클라이언트와의 통신에 사용할 새로운 소켓이 만들어지고 이 소켓번호가 리턴되며 실패시에는 -1이 리턴된다. 그런데 서버는 이 클라이언트와 통신하기 위하여 accept()가 리턴한 소켓번호를 사용한다는 것을 주의하여야 한다. accept()는 또한 연결된 클라이언트의 소켓주소 구조체와 구조체의 길이의 포인터를 함수 인자로 리턴해 준다.
int accept(int s, struct sockadddr *addr, int *addrlen);
바이트 순서(byte ordering)
바이트 순서(byte ordering)에는 호스트 바이트 순서와 네트워크 바이트 순서 두 가지가 있다. 호스트 바이트 순서는 컴퓨터 내부 메모리에 숫자를 저장하는 순서를 말하는데, 이것은 컴퓨터의 CPU의 종류에 따라 다르다. 예를 들어 두 바이트로 구성된 십진수 50146의 경우 HEX로 0xC3E2이며 이것은 80x86 계열의 CPU에서는 E2, C3의 순서로(즉, 하위 바이트부터) 메모리에 저장되고 MC6800 계열의 CPU에서는 C3, E2의 순서로 메모리에 저장된다. 전자를 하위 바이트(즉 little end)가 메모리에 먼저 잡힌다고 하여 little-endian이라고 하고 후자를 상위 바이트(즉, big end)가 메모리에 먼저 잡힌다고 하여 big-endian이라고 부른다.
네트워크 바이트 순서는 포트 번호나 IP 주소와 같은 정보를 바이트 단위로 네트워크로 전송하는 순서를 말하는데 네트워크 바이트 순서는 high-order 바이트부터 전송하기로 정했다(즉, big-endian 순서라고 할 수 있다). 예를 들어 2바이트의 수 0xC3E2의 경우 C3, E2의 순서로 상위 바이트부터 전송된다. 즉, 80x86 계열의 CPU가 사용하는 호스트 바이트 순서는 네트워크 바이트 순서와 다르다. 따라서 80x86 계열의 컴퓨터에서 네트워크를 통하여 전송한 숫자는 MC68000의 계열의 컴퓨터가 수신하면 순서가 바뀌게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 컴퓨터 내부에서 사용하던 숫자를 네트워크로 전송하기 전에 htons() 함수를 사용하여 모두 네트워크 바이트 순서로 바꾸어야 하고, 반대로 네트워크로부터 수신한 데이터는 ntohs() 함수를 사용하여 자신의 호스트 바이트 순서로 항상 바꾸어야 한다. 즉 모든 컴퓨터가 네트워크 바이트 순서를 지켜 숫자를 전송함으로써 이것이 어떤 종류의 컴퓨터에서 만들어진 것인지 알 필요가 없도록 하는 것이다.
바이트 순서를 바꾸는 함수에는 변환할 바이트의 길이에 따라 다음과 같이 두 가지 종류가 있다.
unsigned short integer 변환 (2바이트 크기)
htons(): host-to-network 바이트 변환
ntohs(): network-to-host 바이트 변환
unsigned long integer 변환 (4바이트 크기)
htonl(): host-to-network 바이트 변환
ntohl(): network-to-host 바이트 변환
주의할 것은, 바이트 순서를 맞추는 것이 필요한 경우는 포트 번호 등의 숫자를 네트워크로 전송할 때이며 텍스트 문서나, 바이너리 파일 등 일반 사용자 데이터는 바이트 변환이 필요다는 것이다. 왜냐하면 일반 데이터는 메모리(버퍼)에 저장되었다가 바이트 단위로 메모리 앞 주소부터 차례대로 전송되며 수신측에서도 수신된 바이트를 메모리에 차례대로 저장하기 때문이다.
IP 주소 변환
IP 패킷을 네트워크로 실제로 전송할 때에는 32비트의(binary) IP 주소만 사용할 수 있다.
dotted decimal로 표현된 192.203.144.11을 32비트의 IP 주소로 변환하려면 inet_addr()함수를 사용하고, IP 주소를 dotted decimal로 변환하려면 inet_ntoa()를 사용한다.
#include <arpa/inet.h>
char *inet_ntoa(struct in_addr addr); //IP 주소 -> dotted decimal
in_addr inet_addr(const char *host); //dotted decimal -> IP 주소
close(), 소켓 닫기
소켓의 사용을 마치려면 해당 소켓 번호를 지정하여 close()를 호출하여 소켓을 종료하여야 한다. close()는 클라이언트나 서버 중 누구나 먼저 호출할 수 있다. close()를 호출한 시점에 서버나 클라이언트의 송신 버퍼에 들어 있으나 아직 전송되지 못한, 또는 네트워크 내에서 전달중인 패킷들이 있을 수 있다. close()는 디폴트로 이러한 패킷들을 모두 처리한 후에 소켓을 닫게 되어 있다. 그러나 이러한 패킷들을 보다 구체적으로 처리하기 위하여 close()를 호출하기 전에 shutdown() 시스템 콜을 아래와 같이 사용할 수 있다.
shutdown(s, direction);
위에서 s는 닫을 소켓번호이고, direction은 1이면 패킷의 전송을 종료하고 0이면 수신을 종료하며 2이면 송수신을 모두 종료하게 한다.
UDP 소켓에서는 close()를 호출하면 단순히 사용하던 소켓을 닫는 작업을 수행한다.
소켓의 동작모드
소켓의 동작모드에는 blocking, non-blocking, 비동기(asynchronous) 모드 세 가지가 있다. 소켓을 처음 생성하면 blocking 모드가 되는데 blocking 모드의 소켓이란 이 소켓에 대해 어떤 시스템 콜을 호출하였을 때 네트워크 시스템(즉, TCP/IP)이 동작을 완료할 때까지 그 시스템 콜에서 프로세스가 멈추어 있는 모드를 말한다. 소켓 관련 시스템 콜 중에 block될 수 있는 것은 listen(), connect(), accept(), recv(), read(), write(), recvfrom(), sendto(), close()등이다.
Non-blocking 모드의 소켓이란, 소켓 관련 시스템 콜에 대하여 네트워크 시스템이 즉시 처리할 수 있으면 바로 결과를 리턴하고, 즉시 처리할 수 없는 경우라도 시스템 콜이 바로 리턴되어 응용 프로그램이 block 되지 않게 하는 소켓을 말한다. 비동기 모드는 소켓에서 어떤 I/O 변화가 발생하면(데이터의 도착 등) 그 사실을 응용 프로그램이 알 수 있도록 하여 read(), write()와 같은 원하는 동작을 실행할 수 있게 하는 모드를 말한다.
소켓을 non-blocking 모드로 사용하는 경우는 일반적으로 어떤 시스템 콜이 성공적으로 실행될 때까지 계속 루프를 돌면서 확인하는 방법(폴링)을 사용한다.
소켓을 비동기 모드로 사용하는 방법은 일반적으로 select() 함수를 이용하는 방법이 널리 사용되는데 이것은 I/O 변화가 발생할 수 있는 소켓 전체를 대상으로 select()를 호출해 두면 그 중 임의의 소켓에서 I/O 변화가 발생되었을 때 select() 문이 리턴되고 이 때 원하는 소켓 시스템 콜을 호출하는 방법이다.
select() 시스템 콜
select()는 소켓에서 I/O 변화를 기다리다가 I/O 변화가 발생하면 리턴되는데 응용 프로그램에서는 select()가 리턴되었을 때 어떤 소켓에서 어떤 I/O 변화가 발생하였는지를 확인하여 필요한 작업을 처리하게 된다.
int select(int n, fd_set *rfds, fd_set *wfds, fd_set *efds, struct timeval *t);
n: select 함수가 검사햐여야 할 소켓의 수
rfds: 데이터 수신 가능성을 검사할 fd_set 구조체의 포인터
wfds: 데이터 송신 가능성을 검사할 fd_set 구조체의 포인터
efds: 예외 상황을 검사할 fd_set 구조체의 포인터
t: 최대 대시 시간(NULL이면 Blocking 모드로 동작)
각각 fd_set 타입 구조체에 I/O 변화를 감지할 소켓(또는 파일)번호를 1로 세트하여 select()를 호출해 두면 해당 조건이 만족되는 순간 select()문이 리턴된다.
fd_set 타입의 구조체의 값을 편리하게 지정하기 위하여 특정 소켓의 I/O 변화 감지를 선택하거나 취소하기 위한 매크로가 제공된다.
FD_ZERO(fd_set *fdset) *fdset의 모든 비트를 지운다.
FD_SET(int fd, fd_set *fdset) *fdset 중 소켓 fd에 해당하는 비트를 1로 한다.
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset) *fdset 중 소켓 fd에 해당하는 비트를 0으로 한다.
FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset) *fdset 중 소켓 fd에 해당하는 비트가 세트되어 있으면 양수값인 fd를 리턴한다.
소켓옵션
TCP/IP 프로토콜의 기능을 보다 구체적으로 활용하거나 소켓의 세부적인 동작 특성을 바꾸려면 소켓 옵션을 변경하는 것이 필요한데, 소켓 옵션을 변경하려면 다음과 같이 setsockopt() 함수를 사용한다.
int setsockopt(int s, int level, int opt, const char *optval, int option);
s: 옵션을 바꿀 소켓번호
level: 프로토콜 레벨을 지정. 소켓의 일반적인 옵션 지정이면 SOL_SOCKET, IP 프로토콜에 관한 것이면 IPPROTO_IP를, TCP에 관한 내용이면 IPPROTO_TCP를 각각 선택한다.
opt: 선택할 옵션을 지정
optval: 옵션 지정에 필요한 값의 포인터
optlen: optval의 크기
옵션 중에는 어떤 상태의 선택 또는 취소 둘 중 하나를 택하는 옵션들이 있는데 이러한 옵션 지정시에는 *optval 값이 1이면 선택이고 0이면 취소가 된다.
소켓 옵션 지정의 종류
소켓주소 재사용 옵션(SO_REUSEADDR)
자신의 소켓주소(IP 주소와 포트 번호)가 여러 프로세스에 의하여 또는 한 프로세스 내의 여러 소켓에서 중복되어 사용되는 것을 허용하는 옵션이다. 이 옵션은 구체적으로 다음과 같은 네 가지 목적으로 사용된다.
1. 예를 들어 어떤 TCP 서버 프로그램에서 자식 프로세스가 서비스의 처리를 담당하고 있는 도중에 부모 프로세스가 종료되었다가 다시 시작하게 되면 "포트 번호가 사용중"이라는 오류가 발생하게 된다(자식 프로세스가 그 포트 번호를 사용하고 있기 때문에). 이러한 오류를 피하기 위하여 TCP 서버에서 fork()를 이용하는 경우에는 특정 포트 번호(즉, 특정 소켓주소)가 재사용될 수 있다는 옵션을 지정해 두어야 한다. 이 소켓주소 재사용 옵션 지정은 소켓을 만든 후 bind()를 하기전에 해야 한다.
2. 같은 포트 번호를 사용하면서 IP 주소는 서로 다른 서버를 한 호스트 내에서 여러 개 실행시킬 때 필요하다. 이것은 IP 주소가 여러 개인 (multihomed) 호스트에서 동일한 포트 번호를 사용하는 서버(예를 들면 포트 번호가 80인 HTTP 서버)를 여러 개 실행시킬 때 사용된다. 물론 각 서버는 별도의 소켓주소(즉, 서로 다른 IP 주소)를 사용하여 bind()를 해 두어야 한다.
3. 위의 2번과 같으나 하나의 프로세스에서 여러 소켓을 개설하고 모두 같은 포트 번호를 사용하도록 할 때 필요하다. 이 때에도 소켓별로 각각 다른 IP 주소를 지정하여 bind()하여야 한다.
4. 여러 프로세스에서(또는 한 프로세스 내의 여러 소켓에서) 동일한 IP 주소와 포트 번호를 bind()하는 것을 허용할 때 사용된다. 이렇게 IP 주소와 포트 번호가 모두 중복되는 바인딩을 completely duplicate binding이라고 하는데 이것은 TCP에서는 전혀 사용할 수 없고 UDP에서만 사용 가능하다. 이것의 대표적인 사용 예는 멀티캐스트 패킷을 수신하기 위한 경우이다. 예를 들어 하나의 호스트 내에서 여러 멀티캐스트 가입자들이 같은 프로그램을 실행시키고 있을 때 각 멀티캐스트 이용 프로그램이 동일한 패킷을 수신할 수 있도록 하기 위하여 이러한 옵션 지정이 필요하다.
* 특정 통신 계층에서 다루는 데이터 단위를 프로토콜 데이터 단위(PDU: Protocol Data Unit)라고 하는데, 링크 계층의 PDU를 프레임(frame), 네트워크 계층의 PDU를 패킷(packet)이라고 부른다. IP 계층의 PDU를 데이터그램이라고 한다. 트랜스포트 계층이 다루는 PDU를 메시지라고 한다.
