네트워크 프로그래밍의 이해

네트워크 프로그래밍이란?

멀리 떨어져 있는 호스트들이 서로 데이터를 주고 받을 수 있도록 프로그램을 구현하는 것이다.

파일과 달리 데이터를 주고 받을 대상이 멀리 떨어져 있기 때문에

소프트웨어 차원에서 호스트들간에 연결을 해주는 장치가 필요할 뿐이다.

라우터는 컴퓨터 네트워크 간에 데이터 패킷을 전송하는 네트워크 장치다. 패킷의 위치를 추출하여, 그 위치에 대한 최적의 경로를 지정하며, 이 경로를 따라 데이터 패킷을 다음 장치로 전달한다.

이러한 기능을 해주는 장치를 소켓(Socket)이라 한다. 그래서 일반적으로 소켓 프로그래밍이라는 용어와 네트워크 프로그래밍이라는 용어는 같은 의미로 사용 되고 있다. 

 

소켓이란 멀리 떨어져 있는 두개의 호스트(host) 를 연결시켜주는 매개체 역할을 한다.

 

프로토콜의 정의

데이터를 주고 받는 방법은 어떤 방법을 쓰던 간에, 그 방법만큼은 상호간에 반드시 일치 해야 한다.

한사람은 전화를 사용하고 한사람은 편지를 사용할수는 없는것처럼

서로간의 규약이 필요하다 즉  프로토콜이란 '컴퓨터 상호간의 대화에 필요한 통신 규약'

 

윈도우 기반 예제를 참고하며 공부해보자.

tcp/ip server

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>
#include <WS2tcpip.h>

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

void ErrorHandling(const char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
	WSADATA	wsaData;
	SOCKET hServSock, hClntSock;
	SOCKADDR_IN servAddr, clntAddr;

	int szClntAddr;
	char message[] = "Hello World!";

	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!");

	hServSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (hServSock == INVALID_SOCKET)
		ErrorHandling("socket() error");

	memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
	servAddr.sin_family = AF_INET;
	servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

	if (bind(hServSock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
		ErrorHandling("bind() error");

	if (listen(hServSock, 5) == SOCKET_ERROR)
		ErrorHandling("listen() error");

	szClntAddr = sizeof(clntAddr);
	hClntSock = accept(hServSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &szClntAddr);
	if (hClntSock == INVALID_SOCKET)
		ErrorHandling("accept() error");

	send(hClntSock, message, sizeof(message), 0);
	closesocket(hClntSock);
	closesocket(hServSock);
	WSACleanup();

	return 0;
}

void ErrorHandling(const char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

 

tcp/ip client

//#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS 

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>
#include <WS2tcpip.h>


#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")


void ErrorHandling(const char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
	WSADATA wsaData;
	SOCKET hSocket;
	SOCKADDR_IN servAddr;

	char message[30];
	int strLen;

	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!");

	hSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (hSocket == INVALID_SOCKET)
		ErrorHandling("socket() error");

	memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
	servAddr.sin_family = AF_INET;
	//servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

	inet_pton(AF_INET, argv[1], &servAddr.sin_addr.s_addr);


	if (connect(hSocket, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
		ErrorHandling("connect() error!");

	strLen = recv(hSocket, message, sizeof(message) - 1, 0);
	if (strLen == -1)
		ErrorHandling("read() error!");
	printf("Message from server: %s \n", message);

	closesocket(hSocket);
	WSACleanup();
	return 0;
}

void ErrorHandling(const char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

 

 프로토콜 체계 (protocol family) 

- Protocol ( 프로토콜 ) 이란 디바이스 간에 데이터를 주고 받는 방식이다. 즉, 각 디바이스 간 서로 데이터를 주고 받기 위해서 정의해 놓은 약속을 뜻한다. 이러한 규약을 정해 놓지 않으면 상대가 내가 의도한 것과 다르게 데이터를 이해할 수도 있다.

소켓 통신을 할 때 사용하는 프로토콜 부류가 몇가지 있다. 이러한 부류를 프로토콜 체계라고 한다.

이러한 부류를 프로토콜 체계라고하며 c 언어에서 socket을 생성할 때 다음과 같이 함수를 호출 할 때 첫번째 인자에 프로토콜 체계를 넣는다.

 

// C code

#include <sys/socket.h>
int socket(PF_INET, int type, int protocol );

 

이름	Protocol Family ( 프로토콜 체계 )
PF_INET	IPv4 인터넷 프로토콜 체계
PF_INET6	IPv6 인터넷 프로토콜 체계
PF_LOCAL	로컬 통신을 위한 UNIX 프로토콜 체계
PF_PACKET	Low Level 소켓을 위한 프로토콜 체계
PF_IPX	IPX 노벨 프로토콜 체계

 

 소켓 타입 ( TCP, UDP )

- socket type은 데이터 전송 방식을 의미 하며 socket 함수 호출 시 2번째 인자에 값을 넣는다.

// C code

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, SOCK_DGRAM, int protocol);

# Python code

serverSocket = socket(AF_IENT, SOCK_STREAM)

 

TCP	UDP
연결 지향형 소켓 ( 3-way handshake )	비 연결 지향형 소켓
SOCK_STREAM	SOCK_DGRAM
데이터 손실 없이 목적지로 전송	데이터 손실의 우려가 있음
전송 순서대로 데이터가 수신	전송된 순서에 상관없이 가장 빠른 전송을 지향
데이터 경계가 없음	데이터 경계 있음

 

 

IP주소란?

인터넷상에 존재하는 호스트들을 구분하기 위한 32비트 주소 쳬계를 의미한다.

4바이트 ip 주소는 네트워크 주소와 호스트 주소로 나뉘며, 주소의 형태의 따라 A,B,C,D,E 클래스로 분류된다.

네트워크 주소란?

네트워크를 구분하여 주는 ID를 의미한다. 

예를 들어서 B.COM이라는 회사의 무 대리에게 전송한다고 가정해보자. 이 회사는 하나의 로컬 네트워크로 이루어져 있다. 이러한 회사의 무 대리가 사용하고 있는 컴퓨터에 데이터를 전송하기 위해서, 일단은 B.COM의 네트워크로 데이터를 전송해 주는 것이 우선이다. 즉 처음부터 IP주소 4바이트 모두를 참조해서 무 대리의 컴퓨터로 바로 찾아가는 것이 아니라, 4바이트 IP주소중에서 네트워크 주소만을 참조해서 일단 B.COM의 네트워크를 먼저 찾아간다.

 

Port란 무엇인가?

일반적으로 하나의 컴퓨터 안에서 여러개의 어플리케이션이 동시에 네트워크를 통해서 다른 컴퓨터와 데이터를 주고 받는다. 개인이 사용하는 IP는 하나의 물리적인 장치 (네트워크 카드)를 통해서 네트워크에 연결되어 있다. IP주소로는 인터넷이 연결되어있는 컴퓨터를 구분하여 줄 수는 있어도 컴퓨터안에서 실행되고 있는 프로그램까지 구분하여 주지는 못한다.

이것을 구분시켜주는 것이 바로 PORT 다. port는 2바이트로 표현되므로 가질 수 있는 값의 범위가 0 ~ 65535 까지다.

TCP소켓과  UDP 소켓은 port를 서로 공유하지 않으므로 중복되어도 상관없다.

주소 정보의 표현

Ipv4 (32 bit) Ipv6 (128 bit) 주소 체계를 사용한다.

typedef struct sockaddr_in 
{
#if(_WIN32_WINNT < 0x0600)
    short   sin_family; //주소 체계(address faimily)
#else //(_WIN32_WINNT < 0x0600)
    ADDRESS_FAMILY sin_family;
#endif //(_WIN32_WINNT < 0x0600)

    USHORT sin_port;	//16bit tcp/udp port
    IN_ADDR sin_addr;	//32bit ipv4 주소
    CHAR sin_zero[8];	//사용되지 않음
} SOCKADDR_IN, *PSOCKADDR_IN;

#endif /* WINAPI_FAMILY_PARTITION(WINAPI_PARTITION_APP | WINAPI_PARTITION_SYSTEM | WINAPI_PARTITION_GAMES) */
#pragma endregion

typedef struct in_addr // 32bit ipv4 주소
{
        union 
        {
                struct { UCHAR s_b1,s_b2,s_b3,s_b4; } S_un_b;
                struct { USHORT s_w1,s_w2; } S_un_w;
                ULONG S_addr;
        } S_un;
#define s_addr  S_un.S_addr /* can be used for most tcp & ip code */
#define s_host  S_un.S_un_b.s_b2    // host on imp
#define s_net   S_un.S_un_b.s_b1    // network
#define s_imp   S_un.S_un_w.s_w2    // imp
#define s_impno S_un.S_un_b.s_b4    // imp #
#define s_lh    S_un.S_un_b.s_b3    // logical host
} IN_ADDR, *PIN_ADDR, FAR *LPIN_ADDR;

 

네트워크 바이트 순서

sockaddr_in 구조체 변수에 값을 대입하는 경우에는 네트워크 바이트 순서(Network Byte Ordering)로 값을 변경한 다음에 대입해야 한다. 그렇다면 네트워크 바이트 순서라는 것은 무엇을 의미하는가?

 

바이트 순서라는 것은 시스템이 내부적으로 데이터를 표현하는 방법을 의미한다.

크게는 2가지 방법으로 나뉘는데 Big-Edian, Little-Edian 방식이다.

시스템 내부적으로 데이터를 처리하는데 있어서 Big-Edian 방식을 쓰느냐 Little-Edian 방식을 쓰느냐는 CPU에 따라서 달라진다. 이를 '호스트 바이트 순서(host byte order)'라고 하는데 문제는 호스트 바이트 순서가 일정치 않다는 것이다.

 

이러한 문제점을 해결하기 위해서 통일된 방식인 '네트워크 바이트 순서(network byte order)'이다.

함수 구분	설명
uint32_t htonl(uint32_t hostlong)	long 형 호스트 바이트 순서 데이터를 네트워크 바이트 순서값 구함
uint16_t htons(uint16_t hostshort)	short 형 호스트 바이트 순서 데이터를 네트워크 바이트 순서값 구함
uint32_t ntohl(uint32_t netlong)	long 형 네트워크 바이트 순서 데이터를 호스트 바이트 순서 데이터 값 구함
uint16_t ntohs(uint16_t netshort)	short 형 네트워크 바이트 순서 데이터를 호스트 바이트 순서 데이터 값 구함

ntohs() 는 네트워크 바이트 순서를 호스트 바이트 순서로 바꾸어 주는 함수이다.

 

주소 정보 할당하기

소켓에 주소, 프로토콜, 포트를 할당한다. 

int bind ( SOCKET s, const struct sockaddr *name, int namelen );

 

• s : socket()으로 생성된 소켓객체
• name : 소켓객체에 부여할 주소정보를 포함한 구조체
• namelen : name의 데이터 길이. byte(:12)단위