[리눅스 네트워크] - 1 : echo 서버 만들기

 

 

네트워크 프로그래밍이란?

•  네트워크 프로그래밍은 시스템 프로그래밍의 연장선이다!
  • 컴퓨터의 경우, 랜선이라 부르는 이더넷 케이블을 통해 Data가 송/수신 되고 있다.
  • 이때, 케이블은 H/W 장치이기 때문에 케이블을 통해 송/수신 되는 Data에 접근하기 위해서는 kernel의 도움이 있어야 한다.
  • 따라서, 네트워크 프로그래밍 == system call을 이용해 네트워킹을 위한 코드를 작성하고, 실행하는 것이다!

 

 

 

Socket 프로그래밍 코드 살펴보기 - server

 

Server의 동작 순서

1. socket() : 소켓 생성
2. bind() : 생성한 소켓에 주소 할당
3. listen() : 클라이언트 연결 요청 대기
4. accept() : 클라이언트 연결 승인
5. read() / write() : 소켓 통신 (메시지 수신, 송신)
6. close() : 소켓 닫기. 종료.

 

 

Server 동작 코드

 

[전체코드 보기]

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>      
#include <sys/socket.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

const char *PORT = "12345";

int server_sock;
int client_sock;

void interrupt(int arg){
	printf("\nYou typed Ctrl + C\n");
	printf("Bye\n");

	close(client_sock);
	close(server_sock);
	exit(1);
}

void removeEnterChar(char *buf){
	int len = strlen(buf);
	for (int i = len - 1; i >= 0; i--){
		if (buf[i] == '\n'){
			buf[i] = '\0';
			break;
		}
	}
}

int main(){
	signal(SIGINT, interrupt);

	server_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (server_sock == -1){
		printf("ERROR :: 1_Socket Create Error\n");
		exit(1);
	}
	printf("Server On..\n");	

	int optval = 1;
	setsockopt(server_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void *)&optval, sizeof(optval));

	struct sockaddr_in server_addr = {0};
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	server_addr.sin_port = htons(atoi(PORT));
	socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);

	if (bind(server_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len) == -1){
		printf("ERROR :: 2_bind Error\n");
		exit(1);
	}
	printf("Bind Success\n");	

	if (listen(server_sock, 5) == -1){
		printf("ERROR :: 3_listen Error");
		exit(1);
	}
	printf("Wait Client...\n");

	client_sock = 0;
	struct sockaddr_in client_addr = {0};
	socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

	while (1){
		memset(&client_addr, 0, client_addr_len);

		client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
		if (client_sock == -1){
			printf("ERROR :: 4_accept Error\n");
			break;
		}
		printf("Client Connect Success!\n");		

		char buf[100];
		while (1){
			memset(buf, 0, 100);

			int len = read(client_sock, buf, 99);
			removeEnterChar(buf);

			if (len == 0){
				printf("INFO :: Disconnect with client... BYE\n");
				break;
			}

			if (!strcmp("exit", buf)){
				printf("INFO :: Client want close... BYE\n");
				break;
			}
			write(client_sock, buf, strlen(buf));
		}
		close(client_sock);
		printf("Client Bye!\n");
	}
	close(server_sock);
	printf("Server off..\n");
	return 0;
}

 

1-1. 소켓생성 : server_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

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

• 기능 : 입력받은  주소 체계(domain), 소켓 유형(type), 프로토콜(protocol)에 맞는 소켓을 생성함.
•  입력값
  • domain : 프로토콜 도메인 
    • AF_INET : IPv4
    • AF_INET6 : IPv6
    • AF_UNIX : 로컬통신  등...
  • type : 소켓의 유형
    • ex) SOCK_STREAM : TCP
    • SOCK_DGRAM : UDP  등...
  • protocol : 프로토콜 종류 ex) IPPROTO_TCP / IPPROTO_UDP 등... => 주로 0으로 설정하여 시스템이 적절한 프로토콜을 자동으로 선택 하도록 한다.

• 반환값 : 생성된 소켓의 파일 디스크립터 (= 소켓을 식별하는 데 사용되는 정수. 식별자), 실패하면 -1을 반환한다.
• 라이브러리 : #include <sys/socket.h> 

 

1-2. 소켓 옵션 지정 : setsockopt(server_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void *)&optval, sizeof(optval));

int setsockopt(int socket, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen)

• 기능 : 소켓 옵션을 설정 
•  입력값
  • socket descriptor : 소켓 파일 디스크립터 (식별자) = > socket()함수의 반환값으로 얻음
  • level : 프로토콜 수준
    • ex) SOL_SOCKET : 소켓의 일반적인 레벨을 다룸
    • IPPROTO_IP : IPv4 소켓에 대해, IP 프로토콜관련 옵션을 설정
    • IPPROTO_TCP : TCP 프로토콜 레벨을 다룸 => 주로 SOL_SOCKET으로 설정!
  • optname : setsockopt() 함수에서 설정하려는 특정 옵션을 식별하는 상수 값 
    • ex) SO_REUSEADDR : 주소 재사용 옵션. 소켓 종료 후에도 같은 주소와 포트를 빠르게 재사용 할 수 있음.
    • SO_KEEPALIVE : 소켓 간 주기적인 keep-alive 패킷이 전송된다.
    • SO_LINGER : close() 호출 시 보류 상태로 머무르는 시간을 제어
    • 등...
  • *optval : setsockopt() 함수에서 사용되는 옵션 값을 저장하는 포인터. 설정하려는 옵션 값의 주소를 가리킨다. 옵션 값은 다양한 데이터 형식일 수 있으므로 void 포인터로 전달된다.
  • optlen : setsockopt() 함수에서 사용되는 옵션 값의 크기(byte)를 나타내는 변수. => 보통 이 값은 sizeof() 연산자를 사용하여 옵션 값의 크기를 계산하여 설정한다.

 

 

1-3. 소켓 구조체(sockaddr_in) 지정 : struct sockaddr_in { ~~ }

struct sockaddr_in {
    short int          sin_family;  // 주소 체계(AF_INET)
    unsigned short int sin_port;    // 포트 번호
    struct in_addr     sin_addr;    // IPv4 주소
    unsigned char      sin_zero[8]; // 소켓 구조체의 크기를 맞추기 위한 추가 공간
};

=================================================================================

struct sockaddr_in server_addr = {0};
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(atoi(PORT));
socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);

• 기능 : socket 의 주소 정보를 담당하는 구조체, IPv4 주소 체계를 사용하는 경우, sockaddr_in 구조체를 사용한다.
• 입력값
  •  sin_family : 주소체계. AF_INET = IPv4를 의미한다.
  • sin_addr : 소켓의 IP 주소를 나타낸다. 이때, 네트워크 바이트는 빅 엔디안을 사용하고, 호스트 바이트는 리틀 엔디안을 사용하기 때문에 htonl()함수를 이용해 IPv4주소를 빅엔디안으로 변경해준다.
    • 여기서, INADDR_ANY는 소켓을 바인딩할 때 사용되는 특별한 IPv4 주소로 "모든 네트워크 인터페이스"를 나타낸다. => 모든 네트워크 인터페이스에 대한 연결을 수락할 수 있도록 한다.
  • sin_port : 소켓의 PORT 번호를 나타낸다. 마찬가지로, htons() 함수를 통해 PORT를 빅엔디안으로 변경해주어야 한다.
  • sin_zero : 구조체 크기를 맞추기 위한 추가 공간(padding 느낌..?). 실제로 사용되지 않지만, 구조체의 크기를 맞추기 위해 포함됨.

---

 

2. 생성한 소켓에 주소 할당 : bind(server_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len)

int bind(int socket, const struct sockaddr*, socklen_t)

• 기능 : 소켓을 특정 주소에 연결하여 특정 IP, PORT에 바인딩시키고 소켓에 주소 할당.
• 입력값 
  • socket : 바인딩할 소켓 파일 디스크립터(=식별자) => socket()함수의 반환값으로 얻음
  • sockaddr*  : 바인딩할 주소를 나타내는 sockaddr 구조체에 대한 포인터. (앞서 살펴본 구조체!)
  • : 주소 구조체의 크기를 나타내는 변수. 일반적으로 sizeof(소켓 구조체) 형태로 쓰임 sizeof(struct sockaddr_in)
• 반환값 : bind() 성공시 0, 실패시 -1
• 라이브러리 : #include <sys/socket.h> 필요

---

 

3. client의 연결 요청 기다림 : listen(server_sock, 5)

int listen(int socket, int backlog)

• 기능 : 소켓을 수신 대기 상태로 전환하여 연결을 받아들일 수 있도록 준비.  TCP 서버 프로그램에서 클라이언트의 연결 요청을 수신할 때 사용된다.
• 입력값
  • socket  : 수신 대기 상태로 전환할 소켓을 나타내는 소켓 디스크립터 = > socket() 함수의 반환값
  • backlog : 대기열의 최대 길이를 지정. 동시에 처리할 수 있는 요청의 최대수
• 반환값 : listen() 성공시 0, 실패시 -1
• 라이브러리 : #include <sys/socket.h> 필요

 

---

4-1. 클라이언트 소켓 선언 

	client_sock = 0;
	struct sockaddr_in client_addr = {0};
	socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

• Server Socket에서 데이터를 주고 받을 Client 용 Socket을 설정 (소켓 디스크립터, sockaddr_in 구조체, 구조체 len)
• => 만약, 여러 client와 연결하고자 한다면, 각각을 모두 배열 형식으로 선언해주면 된다!

 

 

4-2. 클라이언트 연결 수락 및 소켓 생성 :  accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);

int accept(int sock, struct sockaddr*, socklen_t)

• 기능 : 클라이언트의 연결 요청이 있을 때까지 블로킹 된다! 
  • 클라이언트의 연결 요청을 수락하고, 해당 소켓 생성 (socket + struct 지정 + bind() 기능의 통합)
  • 서버 소켓의 경우, "소켓 생성(socket()) > 서버 소켓 구조체 정의  > 주소 할당(bind())" 을 모두 차례대로 해주어야 했다.
  • 하지만, 서버 소켓 생성 이후 클라이언트를 생성할 때는 이미 서버를 통해 구성된 틀이 있으므로 accept 함수만 호출해주어도 구조체에 알맞게 할당되고, 알맞은 클라이언트 소켓 디스크립터를 반환 받을 수 있다.
• 입력값
  • sock : 클라이언트의 요청을 수락할 서버 소켓의 디스크립터 (socket, bind, listen이 되어 있어야 한다.)
  • sockaddr* : 클라이언트의 주소 정보를 담을 구조체에 대한 포인터 (클라이언트의 IP 주소와 포트 번호 등 저장)
  • socklen_t  : 클라이언트 주소 구조체의 크기를 나타내는 변수 포인터
• 반환값 : accept() 성공시 새로운 클라이언트의 파일 디스크립터를 반환. 실패시 -1
• 라이브러리 :  #include <sys/socket.h> 필요

 

 

====================여기까지, 통신을 위한 sever & client의 소켓 생성이 완료 되었다.===========

이후에는 생성된 소켓을 이용해 파일 입출력 (read, write)처럼 메시지를 주고 받으면 된다!

---

5. read() / write() 송수신 기능 (=서버의 역할)

while (1){
		memset(&client_addr, 0, client_addr_len);

		client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
		if (client_sock == -1){
			printf("ERROR :: 4_accept Error\n");
			break;
		}
		printf("Client Connect Success!\n");		

		char buf[100];
		while (1){
			memset(buf, 0, 100);

			int len = read(client_sock, buf, 99);
			removeEnterChar(buf);

			if (len == 0){
				printf("INFO :: Disconnect with client... BYE\n");
				break;
			}

			if (!strcmp("exit", buf)){
				printf("INFO :: Client want close... BYE\n");
				break;
			}
			write(client_sock, buf, strlen(buf));
		}
		close(client_sock);
		printf("Client Bye!\n");
	}

 

 

5-1. 소켓통신을 통한 메시지 수신 : read(client_sock, buf, 99);

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• 기능 : 디스크립터로부터 데이터를 읽어 buf에 저장한다. (=메시지 수신)
• 입력값
  • fd : 데이터를 읽을 디스크립터
  • buf : 읽은 데이터를 저장할 버퍼의 포인터
  • count : 읽을 최대 바이트 수를 나타내는 크기
• 반환값 : 성공 시: 읽은 바이트 수를 반환 / 실패시 -1을 반환 
  • read()함수는 디스크립터에 데이터가 도착하기 전까지 블로킹된다. 
  • 이때, 일반적으로 read함수는 파일의 끝에 도달할 때 0을 반환하지만, 소켓통신에서 read()함수가 0을 반환하는 경우는 해당 소켓 디스크립터가 종료된 경우를 의미한다!!
    
    
  • 따라서, read()의 반환값이 0이라면, 해당 클라이언트와의 연결이 끊긴 것으로 간주하고 해당 클라이언트 소켓을 close()시켜야 한다. 

 

 

5-2. 소켓통신을 통한 메시지 송신 : write(client_sock, buf, strlen(buf));

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 기능 :  파일 디스크립터에 buf에 저장된 데이터를 쓴다. (= 메시지 송신)
• 입력값
  • fd : 데이터를 쓸 디스크립터
  • buf : 쓸 데이터가 저장된 버퍼의 포인터
  • count : 쓸 바이트 수를 나타내는 크기
• 반환값 : 성공 시: 쓴 바이트 수를 반환 / 실패 시: -1을 반환

 

 

[동작 설명]

• 첫 번째 while(1)문
  • 이때, 특정 client와의 연결이 끊기더라도 서버는 다른 클라이언트와 새롭게 연결 될 수 있으므로, 서버 소켓이 살아있는 한 다른 클라이언트와의 연결을 탐색해야 한다. 
  • 따라서 while(1)안에 accept()함수를 넣어 서버 소켓이 살아있는 한 다른 클라이언트와의 연결을 탐색할 수 있도록 한다.
• 두번째 whlie(1)문
  • 클라이언트와의 연결이 성공하여 두번째 while(1)문 안으로 들어오면, 해당 클라이언트와의 연결이 끊어지거나 (len == 0) 해당 클라이언트가 exit 문자열을 보내기 전까지 계속 무한하게 클라이언트가 보낸 메시지를 read하고 write해주어야 한다. 
  • 따라서 while(1)문 안에 해당 클라이언트에 대한 서버의 동작을 넣어주어 클라이언트와의 통신이 끝나지 않는 한 무한히 동작하게 해준다.

 

---

6-1. 클라이언트 소켓 닫기, 종료 : close(client_sock);

int close(int sockfd)

• 기능 : 전달받은 디스크립터를 닫는데 사용된다. 여기서는 소켓 디스크립터를 전달하여 소켓을 종료시킨다.
  • client 소켓에서 읽은 메시지 len == 0
• 입력값 : 닫을 소켓의 디스트립터
• 반환값 : close() 성공시 0, 실패시 -1을 반환한다.

 

 

6-2. 서버 소켓 닫기, 종료 : signal(SIGINT, interrupt);

signal(int signum, void (*handler)(int))

• 기능 : 프로그램이 signum에 해당하는 신호를 받았을 때 실행될 handler함수를 등록한다.
• 입력값
  • signum : 등록할 시그널 번호 => 핸들러 함수의 첫번째 인자로 전달된다!
  • * handler : 시그널을 받았을 때 호출될 핸들러 함수의 포인터
• 반환값 : 성공 시: 이전의 시그널 핸들러 함수의 포인터를 반환 / 실패 시: SIG_ERR을 반환

 

[작성한 interrupt() 함수]

void interrupt(int arg){
	printf("\nYou typed Ctrl + C\n");
	printf("Bye\n");

	close(client_sock);
	close(server_sock);
	exit(1);
}

• arg에는 전달한 signum인 SIGINT가 들어온다.
• 함수가 실행되면, 먼저 client 소켓을 닫은 후 server 소켓도 닫는다.
• 모든 소켓을 닫은 후, exit()함수를 통해 프로그램을 종료시킨다.
  • 이때, exit(int status)함수에 인자를 전달하여 프로그램의 종료 상태를 외부로 전달할 수 있다.
  • 여기서 status = 1은 "일반적인 오류" , "비정상적인 종료"를 의미한다.

 

 

Socket 프로그래밍 코드 살펴보기 - client

 

 

client 동작 순서

1.  socket() 소켓 생성
2. connect() 연결 요청
3. read() / write() 데이터 송수신
4. close() 연결 종료

 

client 코드 분석

 

[전체 코드 보기]

//echo_client

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

const char *SERVER_IP = "127.0.0.1";
const char *SERVER_PORT = "12345";

int client_sock;
void interrupt(int arg){
	printf("\nYou typped Ctrl + C\n");
	printf("Bye\n");

	close(client_sock);
	exit(1);
}

int main(){
	signal(SIGINT, interrupt);

	client_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (client_sock == -1){
		printf("ERROR :: 1_Socket Create Error\n");
		exit(1);
	}
	//printf("Socket Create!\n");

	struct sockaddr_in server_addr = {0};
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
	server_addr.sin_port = htons(atoi(SERVER_PORT));
	
	socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);

	if (connect(client_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len) == -1){
		printf("ERROR :: 2_Connect Error\n");
		exit(1);
	}
	//printf("Connect Success!\n");
		
	char buf[100];
	while (1){
		memset(buf, 0, 100);
		scanf("%s", buf);
		if (!strcmp(buf, "exit")){
			write(client_sock, buf, strlen(buf));
			break;
		}
		write(client_sock, buf, strlen(buf));

		memset(buf, 0, 100);
		int len = read(client_sock, buf, 99);
		if (len == 0){
			printf("INFO :: Server Disconnected\n");
			break;
		}
		printf("%s\n", buf);
	}

	close(client_sock);
	//printf("Logout\n");
	return 0;
}

 

 

1-1. 소켓 생성 : client_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

• 앞서 살펴본 server 소켓 생성과 동일하다.
• 소켓 생성후, 해당 소켓의 디스크립터가 client_sock 변수에 저장된다.

 

 

1-2. 접속할 서버의 sockaddr_in 구조체 생성 

	struct sockaddr_in server_addr = { 0 };
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
	server_addr.sin_port = htons(atoi(SERVER_PORT));

	socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);

• 서버에서 sockaddr_in 구조체를 생성해준 것 처럼, client 측에서도 접속할 서버의 구조체를 생성해주어야 한다.
• (코드는 서버측과 동일한다.)

---

 

2. socket 연결하기 : connect(client_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_len)

int connect(int socket, const struct sockaddr*, socklen_t)

• 기능 : 클라이언트 소켓을 서버에 연결하는 데 사용된다. 
  • 전달받은 클라이언트의 소켓 디스크립터와 연결할 서버 소켓의 구조체 정보를 기반으로 서버에 연결 요청을 보내 연결을 수립한다.
  • 해당 클라이언트 소켓은 server의 클라이언트 소켓과 연동되어 있다.
• 입력값
  • socket : 클라이언트 소켓의 파일 디스크립터
  • sockaddr* : 연결할 서버의 주소 정보를 담고 있는 struct sockaddr_in 구조체의 포인터
  • socklen_t : 서버 소켓 구조체의 크기
• 반환값 : 성공시 0 / 실패시 -1 반환

---

 

3. read() / write() 데이터 송수신 기능

char buf[100];
	while (1){
		memset(buf, 0, 100);
		scanf("%s", buf);
		if (!strcmp(buf, "exit")){
			write(client_sock, buf, strlen(buf));
			break;
		}
		write(client_sock, buf, strlen(buf));

		memset(buf, 0, 100);
		int len = read(client_sock, buf, 99);
		if (len == 0){
			printf("INFO :: Server Disconnected\n");
			break;
		}
		printf("%s\n", buf);
	}

	close(client_sock);

• 사용자의 입력을 받아 buf에 저장한다.
• 만약 입력값이 exit이라면 client소켓을 종료시킨다(close)
• 아니라면, buf에 저장된 사용자가 입력한 문자열을  wirte()함수를 통해 소켓 디스크립트에 작성한다. (=메시지 송신)
• read()함수를 통해 clietn_sock에 있는 문자열을 읽어온다 (=메시지 수신)
• client_sock연결이 끊겼다면(len == 0), client 소켓을 종료시킨다(close)

 

---

4. close() 종료시키기 & interrupt 

signal(SIGINT, interrupt);

• 마찬가지로,signal()함수를 호출하여 interrupt가 발생하였을 때, interrupt 함수를 실행시켜준다.