[System Programming] 13-1장. 소켓

13.0 네트워크 모델

Network Model

• How is data transferred through network?
  • circuit switching: dedicated circuit per call: telephone net
    • the whole message is sent from the source to the destination without being divided into packets
    • End-end resources reserved for “call”
    • QoS 보장 : No end-to-end delay
      • network가 커지더라고 항상 end-to-end를 보장한다.
    • Call blocking in case of congestion
• packet-switching: data sent thru net in discrete “chunks”
  • Store & forward
  • each end-end data stream divided into packets
  • 자원 공유
  • QoS 보장 X
  • Increaed end-to-end delay

Circuit-switching

회선을 점유

waiting 시간 없이 바로 전송

Packet-switching

waiting time: packet이 router에 저장됐다가 다시 보내기 전까지 걸리는 시간

매 packet마다 다음 router가 어딘지를 찾아서 이동을 한다.

Internet

• A network of networks
  • 여러 network로 이루어진 하나의 network

OSI 7 Layer Model

인터넷 구성

TCP/IP 프로토콜

Designing Applications for a Distributed Environment

분산 애플리케이션

• Programmers who build applications for a distributed environment try to make distributed application behave as much as possible like the non-distributed version of the program
• Goal of distributed computing is to provide an environment that hides the geographic location of computers and services and makes them appear to be local
• Service should be provided with Concurrency

TCP/IP 프로토콜

• TCP/IP 프로토콜
  • 인터넷의 핵심 프로토콜인 TCP와 IP를 포함한 각종 프로토콜
  • 운영체제에서 구현을 제공하며, 일반 애플리케이션은 운영체제가 제공하는 TCP/IP 프로토콜의 서비스를 사용하여 통신을 수행

TCP/IP 프로토콜 구조

• TCP/IP 프로토콜 구조
  • 계층적 구조

TCP/IP 프로토콜 구조

• 네트워크 액세스 계층(network access layer)
  • 물리적 네트워크를 통한 실제적인 데이터 전송
  • 구성 요소
    • 네트워크 하드웨어 + 디바이스 드라이버
  • 주소 지정 방식
    • 물리 주소(physical address) - MAC address
• 예
  • 이더넷(Ethernet)
• 인터넷 계층(Internet layer)
  • 네트워크 액세스 계층의 도움을 받아, 전송 계층이 내려 보낸 데이터를 종단 시스템까지 전달
  • 사용 주소
    • IP 주소(Internet Protocol address)
  • 라우팅(routing)
    • 목적지까지 데이터를 전달하기 위한 일련의 작업 라우팅을 위한 정보 획득 라우팅 정보를 기초로 실제 데이터 전달(forward)
• 전송 계층(transport layer)
  • 최종적인 통신 목적지(프로세스)를 지정하고, 오류 없이 데이터를 전송
  • 사용 주소
    • 포트 번호(port number)
  • 예
    • TCP(Transmission Control Protocol)
    • UDP(User Datagram Protocol)
• 애플리케이션 계층(application layer)
  • 다수의 응용 프로토콜과, 응용 프로토콜을 이용하는 애플리케이션을 포괄
  • 예
    • Telnet, FTP, HTTP, SMTP 등

TCP/IP 프로토콜 구조

• TCP와 UDP

둘 다 packet switching

패킷 전송 원리

• 패킷 전송 형태
  • 송신측

• 수신측

• 계층별 (peer-to-peer communication)

• TCP/IP 프로토콜을 이용한 패킷 전송

가운데 두 라우터가 연결된 부분이 network

IP 주소와 포트 번호

• IP 주소
  • 인터넷 계층에서 사용하는 주소
  • 인터넷에 존재하는 호스트(종단 시스템, 라우터)를 유일하게 구별 할 수 있는 식별자
  • Software defined Globally unique address
    • 전 세계에 같은 IP주소를 사용하는 경우는 허락되지 않은 것
  • IPv4는 32비트, IPv6는 128비트 사용
  • 8비트 단위로 구분하여 10진수로 표기(IPv4)
  • 예) 147.46.114.70
• 포트 번호
  • 전송계층에서 사용하는 주소
  • 통신 종착지(하나 혹은 여러 개의 프로세스)를 나타내는 식별자
• 네트워크 액세스 계층에서 사용하는 주소는 MAC address임
• IP + 포트 번호 -> socket address

• IP 주소와 포트 번호

• 모든 포트들은 unique한 번호를 할당 받는다.
  • 포트 번호는 어떤 컴퓨터 안에있는 프로세스를 구분하기 위한 것
• IP주소는 host(특정 컴퓨터)를 구별하기 위한 번호

13.1 소켓

클라이언트-서버 모델

• 네트워크 응용 프로그램
  • 클라이언트-서버 모델을 기반으로 동작한다.
• 클라이언트-서버 모델
  • 하나의 서버 프로세스와 여러 개의 클라이언트로 구성된다.
  • 서버는 어떤 자원을 관리하고 클라이언트를 위해 자원 관련 서비스를 제공한다.

Communications in Client-Server Systems

• Sockets – low level form of communication between distributed processes
• Remote Procedure Calls (RPC)
• Pipes
• Remote Method Invocation (Java)

IPC (Inter Process Communication)

• pipes, FIFOs, message queues, semaphores, and shared memory
  • allow processes running on the same machine to communicate with one another.
• socket
  • allows processes running on different machines to communicate with one another.
  • 다른 머신에서 동작해도 돌아간다!

Socket

• Socket
  • an abstraction of a communication endpoint.
• Socket descriptor
  • Just as applications would use file descriptors to access a file, applications use socket descriptors to access sockets.
  • Socket descriptors are implemented as file descriptors.
    • 이름만 다르고 socket descriptor와 file descriptor는 같은 방식으로 구현되어 있음
    • many of the functions that deal with file descriptors (read and write) will work with a socket descriptor.
    • But, lseek doesn’t work with sockets, since sockets don’t support the concept of a file offset.

• Socket descriptor and file descriptor shares a table.
  • 3 and 4 are file descriptors.
  • 5 is a socket descriptor.

• descriptor table은 per process structure이다. 따라서, 다른 process간에는 같은 값의 descriptor를 가질 수 있다.

소켓의 개념

• 세 가지 관점
  • ① 데이터 타입
  • ② 통신 종단점(communication end-point)
  • ③ 네트워크 프로그래밍 인터페이스

• 데이터 타입
  • 운영체제가 통신을 위해 관리하는 데이터를 간접적으로 참조할 수 있도록 만든 일종의 핸들(handle)
  • 생성과 설정 과정이 끝나면 이를 이용하여 통신과 관련된 다양한 작업을 할 수 있는 간편한 데이터 타입
  • socket()의 리턴 타입은 SOCKET이며 해당 데이터 타입인 변수 sock을 통해 데이터를 보내고 받을 수 있다.

• 통신 종단점 (communication endpoint)
  • 소켓은 통신을 위해 필요한 여러 요소의 집합체
    • 사용할 프로토콜(TCP/IP, UDP/IP 등)
    • 송신측 IP 주소, 송신측 포트 번호 (socket address)
    • 수신측 IP 주소, 수신측 포트 번호 (socket address)
  • 애플리케이션은 자신의 소켓이 상대방의 소켓과 연결된 것으로 생각하고 데이터를 교환
• 통신 종단점(cont’d)

• 실제로는 밑으로 TCP/IP layer를 거쳐서 전송이 되는 것 -> 클라이언트 소켓 to 서버 소켓
  • 포트를 통한 logical 적인 송수신

• 네트워크 프로그래밍 인터페이스
  • 통신 양단이 모두 소켓을 사용할 필요는 없음
  • TCP/IP 프로토콜 구조에서 (일반적으로) 애플리케이션 계층과 전송 계층 사이에 위치하는 것으로 간주

소켓의 종류

• 소켓
  • 네트워크에 대한 사용자 수준의 인터페이스를 제공
  • 소켓은 양방향 통신 방법으로 클라이언트-서버 모델을 기반으로 프로세스 사이의 통신에 매우 적합하다.
  • 유닉스 소켓(AF_UNIX)
    • 같은 호스트 내의 프로세스 사이의 통신 방법
  • 인터넷 소켓(AF_INET)
    • 인터넷에 연결된 서로 다른 호스트에 있는 프로세스 사이의 통신 방법

소켓 연결

1. 서버가 소켓을 만든다.
2. 클라이언트가 (자기 자신의)소켓을 만든 후 서버에 연결 요청을 한다.
3. 서버가 클라이언트의 연결 요청을 수락하여 소켓 연결이 이루어진다.

소켓 연결 과정

• 서버

1. socket() 호출을 이용하여 소켓 을 만들고 이름을 붙인다.

2. listen() 호출을 이용하여 대기 큐를 만든다.

3. 클라이언트로부터 연결 요청을 accept() 호출을 이용하여 수락

4. 소켓 연결이 이루어지면

   • 자식 프로세스를 생성하여
     • conquency하게 할 수 없기 때문에 클라이언트 마다 자식 프로세스를 하나씩 만들어 처리하게 되면 동시에 여러 client를 상대 가능하게 된다.

   • 클라이언트로부터 요청 처리

   • 클라이언트에게 응답한다.

• 클라이언트

1. socket() 호출을 이용하여 소켓 을 만든다.
2. connection() 호출을 이용하여 서버에 연결 요청을 한다.
3. 서버가 연결 요청을 수락하면 소켓 연결이 만들어진다.
4. 서버에 서비스를 요청하고 서버로부터 응답을 받아 처리

소켓 연결 과정

여러 클라이언트를 받을 수 없는 서버이기 때문에(서버 프로세스 자체가 클라이언트 프로세스를 상대하고 있기 때문) 다음 클라이언트로부터 연결 요청을 기다린다.

소켓 만들기

• Sets values of the socket structure

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol)
//소켓을 생성하고 소켓을 위한 파일 (소켓) 디스크립터를 리턴, 실패하면 -1을 리턴

• 인터넷 소켓

fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, DEFAULT _PROTOCOL);

• 유닉스 소켓

  fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, DEFAULT _PROTOCOL);

Socket 구조체

socket()에 domain type protocol 세 개의 parameter를 주게 되면 구조체의 각 멤버(domain, type, protocol)가 해당 값으로 setting 된다.

socket()

• domain argument determines the nature of the communication , including the address format.
  • AF_INET: IPv4 Internet domain
  • AF_INET6: IPv6 Internet domain
  • AF_UNIX: UNIX domain
  • AF_UNSPEC: unspecified
• type argument determines the type of the socket, which further determines the communication characteristics.
  • SOCK_DGRAM(UDP): connectionless, unreliable, datagram
  • SOCK_STREAM(TCP): connection-oriented, reliable, stream
  • SOCK_RAW: Raw socket
• protocol argument selects the default protocol for the given domain and socket type.
  • TCP (Transmission Control Protocol):
    • SOCK_STREAM in AF_INET domain
  • UDP (User Datagram Protocol):
    • SOCK_DGRAM in AF_INET domain
  • Usually, zero is used.

소켓 생성

• 소켓 타입
  • 사용할 프로토콜의 특성

• 예) TCP와 UDP 프로토콜 설정(1)

socket()

• example

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/socket.h>
int main()
{
    int fd1, fd2, sd1, sd2;
    
    fd1 = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
    printf("/etc/passwd's file descriptor = %d\n", fd1);
    
    sd1 = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    printf("stream socket descriptor = %d\n", sd1); 
    
    sd2 = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("datagram socket descriptor = %d\n", sd2);
    
    fd2 = open("/etc/hosts", O_RDONLY);
    printf("/etc/hosts's file descriptor = %d\n", fd2);
    
    close(fd2) ;
    close(fd1) ;
    close(sd2) ;
    close(sd1) ;
}

• 실행

$gcc -o open_socket open_socket.c -lsocket
$./open_socket
/etc/passwd's file descriptor = 3
stream socket descriptor = 4
datagram socket descriptor = 5
/etc/hosts's file descriptor = 6
$

같은 table을 공유하고 있다는 것을 보여주는 예제

Socket address

• Overall structure including socket

응용 프로세스에서 소켓 혹은 파일을 열면 소켓은 communication endpoint이기 때문에 응용 프로그램에 붙어 있는데

데이터가 네트웍을 타고 들어왔을 때 어떤 프로세스에 전달할 것인지를 결정하는 것이 포트 번호

TCP 서버/클라이언트 분석 (2/2)

• 소켓 데이터 구조체

소켓 주소 구조체 정의

• 소켓 주소 구조체(socket address structures)
  • 네트워크 프로그램에서 필요로 하는 주소 정보를 담고 있는 구조체로, 다양한 소켓 함수의 인자로 사용
  • 주소 체계에 따라 다양한 형태가 존재
  • 예) TCP/IP -> SOCKADDR_IN(Internet), IrDA -> SOCKADDR_IRDA
  • 기본형은 SOCKADDR 구조체임
• SOCKADDR 구조체 (Generic socket address structure)

#include <sys/socket.h>
struct sockaddr {
    u_short sa_family;
    char sa_data[14];
};
typedef struct sockaddr SOCKADDR;

• sa_family
  • 주소 체계를 나타내는 상수값
  • 예) TCP/IP 프로토콜 -> AF_INET
• sa_data
  • 해당 주소 체계에서 사용하는 주소 정보 예) TCP/IP 프로토콜
  • IP 주소와 포트 번호

소켓에 이름(주소) 주기

int bind(int fd, struct sockaddr* address, int addressLen)
//소켓에 대한 이름 바인딩이 성공하면 0을 실패하면 -1을 리턴한다.

• 소켓에 주소를 부여하는 개념

• associate an address with a socket.
• 서버의 지역 IP 주소와 지역 포트 번호를 결정(초기화)
• For a server, we need to associate a well-known address with the server’s socket on which client requests will arrive.
  • why well-known? -> 누구나 다 알아야 하는 주소이기 때문에 (그래야 클라이언트 서버 모델에서는 클라이언트가 서비스 요청을 하면 서버의 socket address를 모르면 서비스 요청을 할 수 없기 때문)
• For client, we can let the system choose a default address.
  • -> bind() is not used in client side.

• len is the size of socket address

• 유닉스 소켓 이름

struct sockaddr_un {
    unsigned short sun_family; 	// AF_UNIX
    char sun_path[108]; 		// 소켓 이름
}

소켓에 이름(주소) 주기

• 인터넷 소켓 이름

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr; /* IPv4 address */
};

struct sockaddr_in {
    unsigned short sin_family; // AF_INET
    unsigned short sin_port; // 인터넷 소켓의 포트 번호
    struct in_addr sin_addr; // 32-bit IP 주소
    char sin_zero[8]; // 사용 안 함
}

• sockaddr 구조체는 IP address, port number 등을 직접 쓰거나 읽기가 불편함
  • 필드가 구분되어 있지 않기 때문(IP+port number)
• sockaddr 구조체 대신 4 바이트의 IP address와 2 바이트의 port 번호를 구분하여 지정할 수 있는 인터넷 전용 소켓주소 구조체인 sockaddr_in을 주로 사용함

Socket address

• Socket address structure
  • sockaddr_in은 sockaddr 구조체의 데이터를 internet protocol에서 사용 하기에 적합하도록 수정한 것이다.

sockaddr_in이 사용하기 훨씬 더 편함

TCP Socket programming

• socket programming’s basic procedure

UDP Socket programming

• UDP 서버/클라이언트 구조

server와 client가 socket을 생성하는 것까지는 TCP와 같은데

서버 측의 accept(), listen()와 클라이언트 측의 connect()가 없어졌다.

이는 UDP는 연결 설정이라는 것을 하지 않기 때문.

• UDP는 accept(), listen(), connect()가 필요 없음

소켓 큐 생성

• listen() 시스템 호출
  • 소켓과 결합된 TCP 포트 상태를 LISTENING으로 변경
  • 클라이언트로부터의 연결 요청을 기다린다.
  • 연결 요청 대기 큐의 길이를 정한다.

int listen(int socketfd, int queueLength)
//spcketfd에 대한 연결 요청을 기다린다. 성공하면 0을 실패하면 -1을 리턴

• A server announces that it is willing to accept connect requests.
• queueLength : maximum number of pending connections on a socket
  • 연결 설정을 기다리고 있는 요청의 최대 개수
• backlog specifies how many connection requests can be queued. (queue size)
• listen(serverFd, 5);

소켓에 연결 요청

• connect() 시스템 호출
  • 서버에게 접속하여 TCP 프로토콜 수준의 연결 설정
  • 클라이언트 측의 Local IP, port 번호 설정
  • fd가 나타내는 클라이언트 소켓과 address가 나타내는 서버 소켓과의 연결을 요청한다.
  • 성공하면 fd를 서버 소켓과의 통신에 사용할 수 있다.

int connect(int fd, struct sockaddr* address, int addressLen)
//성공하면 0을 실패하면 -1를 리턴한다.

• Client requests a connection to server
  • Before exchanging data, we need to create a connection between the socket of client and server.
  • addrress is the address of the server.

연결 요청 수락

int accept(int fd, struct sockaddr* address, int* addressLen)
//성공하면 새로 만들어진 복사본 소켓의 파일 디스크립터, 실패하면 -1을 리턴

• 접속한 클라이언트와 통신할 수 있도록 새로운 소켓을 생성하여 리턴
• 접속한 클라이언트의 IP 주소와 포트 번호를 알려줌
• 서버가 클라이언트로부터의 연결요청을 수락하는 내부 과정
• 데이터를 주고 받을 준비 완료

1. 서버는 fd가 나타내는 서버 소켓을 경청하고
2. 클라이언트의 연결 요청이 올 때까지 기다린다.
3. 클라이언트로부터 연결 요청이 오면 원래 서버 소켓과 같은 복사본 소켓을 만들어 이 복사본 소켓과 클라이언트 소켓을 연결
4. 연결이 이루어지면 address는 클라이언트 소켓의 주소로 세팅되고 addressLen는 그 크기로 세팅
5. 새로 만들어진 복사본 소켓의 파일 디스크립터를 리턴

send()

#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
//Returns: number of bytes sent if OK, -1 on error 

• Send data to other process.
  • is similar to write, but
  • allows us to specify flags to change how the data we want to transmit is treated
    • MSG_DONTROUTE, MSG_DONTWAIT, MSG_EOR, MSG_OOB

receive()

#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
//Returns: length of message in bytes,0 if no messages are available and peer has done an orderly shutdown, or -1 on error 

• Receive data from other process.
  • is similar to read, but
  • allows us to specify some options to control how we receive the data.
    • MSG_OOB, MSG_PEEK, MSG_TRUNC, MSG_WAITALL

EX)대문자 변환 서버

분산 애플리케이션의 예

• 이 프로그램
  • 입력받은 문자열을 소문자를 대문자로 변환한다.
  • 서버와 클라이언트로 구성된다.
• 서버
  • 소켓을 통해 클라이언트로부터 받은 문자열을 소문자를 대문자로 변환하여 소켓을 통해 클라이언트에 다시 보낸다.
• 클라이언트
  • 표준입력으로부터 문자열을 입력받아
  • 이를 소켓을 통해 서버에 보낸 후에
  • 대문자로 변환된 문자열을 다시 받아 표준출력에 출력

cserver.c

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#define DEFAULT_PROTOCOL 0
#define MAXLINE 100
/* 소문자를 대문자로 변환하는 서버 프로그램 */
int main ()
{
    int listenfd, connfd, clientlen;
    char inmsg[MAXLINE], outmsg[MAXLINE];
    struct sockaddr_un serverUNIXaddr, clientUNIXaddr; //UNIX 소켓 구조체

    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    clientlen = sizeof(clientUNIXaddr);

    listenfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, DEFAULT_PROTOCOL);
    serverUNIXaddr.sun_family = AF_UNIX; //소켓 타입 지정
    
    strcpy(serverUNIXaddr.sun_path, "convert");//소켓의 이름 지정 -> convert
    unlink("convert"); //웹서버에 존재하는 파일을 삭제하는데 사용합니다
    bind(listenfd, &serverUNIXaddr, sizeof(serverUNIXaddr));

    listen(listenfd, 5);//총 5개의 연결 요청까지 받을 수 있다, 클라이언트의 연결 요청을 기다린다.

    while (1) { /* 소켓 연결 요청 수락 */
        connfd = accept(listenfd, &clientUNIXaddr, &clientlen);//클라이언트 측 주소 받음
        if (fork ( ) == 0) { //복사본 소켓 만들기
            /* 소켓으로부터 한 줄을 읽어 대문자로 변환하여 보냄 */
            readLine(connfd, inmsg); //connfd로 받은 문자열 inmsg에 복사
            toUpper(inmsg, outmsg); //결과 -> outmsg
            write(connfd, outmsg, strlen(outmsg)+1); // connfd로 내보내기
            close(connfd);
            exit (0);
        } else close(connfd);
    }
}
/* 소문자를 대문자로 변환 */
toUpper(char* in, char* out)
{
    int i;
    for (i = 0; i < strlen(in); i++)
        if (islower(in[i]))
            out[i] = toupper(in[i]);
    else out[i] = in[i];
    out[i] = NULL;
}

/* 한 줄 읽기 */
readLine(int fd, char* str)
{
    int n;
    do {
        n = read(fd, str, 1);
    } while(n > 0 && *str++ != NULL);
    return(n > 0);
} 

cclient.c

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#define DEFAULT_PROTOCOL 0
#define MAXLINE 100

/* 소문자-대문자 변환: 클라이언트 프로그램 */
int main ( )
{
    int clientfd, result;
    char inmsg[MAXLINE], outmsg[MAXLINE];
    struct sockaddr_un serverUNIXaddr;

    clientfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, DEFAULT_PROTOCOL);
    serverUNIXaddr.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(serverUNIXaddr.sun_path, "convert")
        
        do { /* 연결 요청 */
            result = connect(clientfd, &serverUNIXaddr, sizeof(serverUNIXaddr));
            if (result == -1) sleep(1);
        } while (result == -1);

    printf("변환할 문자열 입력:\n");
    fgets(inmsg, MAXLINE, stdin);
    write(clientfd,inmsg,strlen(inmsg)+1); // 변환할 문자열 보내기(clientfd 소켓을 통해서)

    /* 소켓으로부터 변환된 문자열을 한 줄 읽어서 프린트 */
    readLine(clientfd,outmsg); // clientfd를 통해 변환된 문자열을 받아서 outmsg에 넣음
    printf("%s --> \n%s", inmsg, outmsg);
    close(clientfd); 
    exit(0); 
}

$ cserver &
[1] 32014
$ client
변환할 문자열 입력
Hello socket stream //사용자 입력 부분
Hello socket stream -->
HELLO SOCKET STREAM