TCP IP - Leo-Mun/UROP_SDN GitHub Wiki

• 컴퓨터 네트워크를 경유하는 프로세스 간 통신의 종착점, 현대엔 대부분 인터넷 프로토콜을 사용함으로 '인터넷 소켓'이라 할 수 있음
• 구성요소
  1. 로컬 IP주소 (자신의 IP주소)
  2. 로컬 포트 (자신의 포트번호)
  3. 원격 IP 주소 (상대방의 IP주소)
  4. 원격 포트 (상대방의 포트번호)

인터넷 소켓은 크게 TCP(연결지향형, Stream), UDP(비 연결지향형, 데이터그램 서비스)로 구별

1. 연결지향형
   • 전송 중간에 데이터의 소멸 없이 상대방에게 전송
   • 전송된 순서대로 상대방에게 전송
   • 전송된 데이터의 경계가 없음 -> 호출된 read(), write() 의 횟수가 상관없음.
   • 소켓 : 소켓 의 연결은 반드시 1대1 이어야함

• 신뢰성이 있는 순차적 바이트기반의 연결지향 데이터 전송방식의 소켓

2. 비 연결지향형
   • 전송된 순서보다는 가장 빠른 전송을 지향 (속도우선)
   • 전송중 데이터의 손실 가능성이 존재 (파손 or 소멸)
   • 데이터의 경계가 존재
   • 한 번에 전송할 수 있는 데이터 제한이 있음

• 신뢰성, 순차적 데이터 전송을 보장하지 않고 고속의 데이터 전송을 목적으로 하는 소켓

1. 주소체계(프로토콜)에 대한 정보전달
   1. AF_INET : IPv4 인터넷 프로토콜 주소체계
   2. AF_INET6 : IPv6 인터넷 프로토콜 주소체계
   3. AF_LOCAL : 로컬 통신 목적의 유닉스 프로토콜 체계
2. 소켓 타입 정보전달
   1. SOCK_STREAM (TCP)
   2. SOCK_DGRAM (UDP)
3. 프로토콜의 최종 선택
   • 동일한 프로토콜 체계에서 데이터 전송방식에 있어서 동일한 프로토콜이 2개 이상이 있을 수 있으므로 명시해줘야 함

1. 인터넷 주소

   • 인터넷 사용을 위해선 IP가 필요하고, 이러한 IP주소체계엔 2가지 존재 (IPv4, IPv6)
   • 둘의 차이는 주소 표현에 사용 되는 바이트수. (범용적으로 사용 되는 주소체계는 IPv4)
   • 네트워크주소, 호스트주소로 분류. 이 때 주소의 형태에 따라 4개의 클래스로 나눌 수 있음 (E클래스는 예약 클래스)
   • A : 8-bit network ID, 24-bit host ID
   • B : 16-bit network ID, 16-bit host ID
   • C : 24-bit network ID, 8-bit host ID
   • D : Multicast applications

2. Port 번호

   • 하나의 운영체제 내에서 소켓을 구분하는 목적으로 사용, 그러므로 하나의 운영체제에서 동일한 port번호를 둥 이상 할당 할 수 없다.
   • 표현 범위는 0이상 65535이하 (16-bit) 단, 0-1023 은 Well-known PORT 라서 쓸 수 없음?( 잘 알려진 포트(well-known port)는 특정한 쓰임새를 위해서 IANA에서 할당한 TCP 및 UDP 포트 번호의 일부이다. 이 번호는 강제적으로 지정된 것은 아니며, IANA의 권고안일 뿐이다. 가끔 각 포트 번호를 그대로 사용하지 않고 다른 용도로 사용하기도 한다. 이 경우, 트로이 목마와 같은 프로그램들이 악의적인 목적으로 포트를 변경하여 사용하는 경우도 있다.) .
   • 하나의 운영체제 내에서 동일한 포트번호를 할당할 순 없지만 TCP, UDP소켓에는 동일한 포트번호를 할당할 수 있다.

• 데이터 전송의 목적지 주소에는 IP주소와 포트번호가 있어야 됨

IPv4의 주소체계를 표현하기 위해 'sockaddr_in'구조체를 사용

     struct sockaddr_in
     {
        sa_family_t    sin_family;
        unit16_t       sin_port;
        struct in_addr sin_addr;
        char           siz_zero[8];
     }   
     struct in_addr
     {   
        in_addr_t s_addr; // IPv4 address (32-bit)
     }

1. sin_family
   • 주소체계를 의미
   • 종류로는 AF_INET(IPv4 프로토콜), AF_INET6(IPv6 프로토콜), AF_LOCAL(Local통신 유닉스 프로토콜) 이 존재
2. sin_port
   • 16비트 Port번호를 네트워크 바이트 순서로 저장
3. sin_addr
   • 32비트의 IP주소를 네트워크 바이트 순서로 저장
4. sin_zero
   • sockaddr_in과 sockaddr의 크기를 일치시키기 위해 삽입된 멤버.
   • 특별한 의미는 없지만 공간을 채울땐 반드시 0으로 채워야 함.
     

     struct sockaddr
     {
         sa_family_t sin_family;  // 주소체계
         char        sa_data[14]; // 이곳에 IP주소, Port 번호가 포함되어있다.
     }

각 멤버에 맞는 데이터를 입력 후, 남는 부분을 0으로 채워서 sockaddr_in과 sockaddr의 크기를 동일하게 맞춰준다.

• 흔히 알고 있는 "xxx.xxx.xxx.xxx"는 십진수 표현방식(Dotted-Decimal Notation). 하지만 컴퓨터는 이것을 하나의 정수로 나타내줘야한다.

1. inet_addr()

     in_addr_t inet_addr(const char *string);
   

반환값으로는 변환에 성공시 네트워크 바이트 순서(빅 엔디안)으로 변환된 32비트의 정수값, 실패 시 INADDR_NONE 가 반환 됨

2. inet_aton()

    int inet_aton(const char *string, struct in_addr *addr); 
   

string : 변환할 IP주소 정보를 담고있는 문자열
aadr : 변환된 정보를 저장할 in_addr 구조체 변수
반환값으로는 성공시 1, 실패 시 0 을 반환한다.
inet_addr()과 차이는 in_addr 구조체 변수를 사용한다는 점이다.

3. inet_ntoa()

   char *inet_ntoa(struct in_addr adr);
   

인자로 전달된 정수형태의 IP주소값을 문자열 형태의 IP주소 정보로 변환하여 반환하는 함수. 반환값으로는 성공시 변환된 문자열의 주소값, 실패 시 -1 가 반환.

• 데이터 송수신 과정을 4단계로 계층화.
• 이를 통해 얻을 수 있는 이점이 여러가지 있음.
  1. 프로토콜 설계의 용이성
  2. 표준화 작업을 통한 개방형 시스템 설계 (ex. 랜카드가 없다면 아무 랜카드를 사서 꽂으면 됨)

1. Link 계층
   • 물리적인 영역으로 LAN, WAN, MAN 이 속하는 영역
2. IP계층
   • 목적지로 데이터를 전달시 경로를 선택하는 계층. 이 영역에서 사용하는 프로토콜이 IP(Internet Protocol).
   • IP 자체는 비 연결 지향성이라 무조건 신뢰할 수는 없다.
3. TCP/IP 계층
   • 경로는 이미 IP계층에서 설정, 실제 데이터를 전송하는 계층이다. 방법은 크게 TCP, UDP로 구별.
   • TCP의 기반은 IP가 되고, IP자체가 1개의 패킷을 전송하는 경로에만 집중. -> 여러개를 전송해도 모두 경로가 같지않고 순서도 보장할 수 없음.
   • 이러한 IP에 TCP가 추가되면 데이터의 송수신시 손실되는 data를 검사. 이로써 전송되는 data가 보장이 된다.
4. Application 계층
   • 프로그램의 성격에 따라 server, client로 구별, 이 때 규약(Protocol)이 생성.
   • 대부분의 네트워크 프로그래밍이 속한다.

• 각 계층을 담당하는 것이 SW 일수도 있고(SDN), NIC와 같은 물리적 장치일 수 있다.(전통적인 네트워크 구성방식)

1. socket()

• 소켓 생성시 사용 되는 함수
  

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

domain : 소켓이 사용할 프로토콜 체계 정보.
type : 소켓의 데이터 전송방식에 대한 정보.
protocol : 디바이스간 통신에 사용 되는 프로토콜 정보.

2. bind()

• 초기화된 주소정보를 소켓에게 할당하는 함수.
  

   int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
  

sockfd : 주소정보를 할당할 소켓의 파일 디스크립터
myaddr : 할당하고자 하는 주소정보를 지닌 구조체 변수
addrlen : 2번째 인자의 길이정보

3. listen()

• 클라이언트가 연결요청을 할 수 있는 '연결요청 대기상태'가 되는 함수.

   int listen(int sock, int backlog);
  

sock : 연결 대기상태에 두고자 하는 소켓의 파일 디스크립터.
backlog : 연결요청 대기 큐의 크기정보.

4. accept()

• 대기 큐에서 대기중인 클라이언트의 요청을 수락하는 기능의 함수.

  int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  

sock : 서버 소켓의 파일 디스크립터.
addr : 연결요청한 클라이언트의 주소정보를 담을 변수, 완료 시 클라이언트 소켓의 주소정보가 채워진다.
addrlen : 두 번째 매개변수의 주소의 변수 크기를 바이트 단위로 전달.

5. connect()

• 클라이언트에서만 사용 되는 함수로써, 서버에 연결요청을 목적으로 하는 함수.

  int connect(int sock, sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen)

sock : 클라이언트 소켓 파일 디스크립터. servaddr : 연결요청할 서버의 주소정보를 담은 변수. addrlen : 2번째 인자의 주소의 바이트단위 길이정보.

간단한 "Hello World" 서버 소스코드

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

void error_handling(char *message);

int main( int argc, char *argv[])
{
	int serv_sock;
	int clnt_sock;

	struct sockaddr_in serv_addr;
	struct sockaddr_in clnt_addr;
	socklen_t clnt_addr_size;
	
	char message[] = "Hello Stranger!";

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

	serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // socket create
	if( serv_sock == -1 )
		error_handling("socket() error");

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

	if( bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == 1) // bind func call
		error_handling("bind() error");

	if( listen(serv_sock, 20) == -1) // listen func call
		error_handling("listen() error");

	clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
	clnt_sock = accept( serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size); // accept func call 
	if( clnt_sock == -1 )
		error_handling("accept() error");

	write(clnt_sock, message, sizeof(message)); // data trade, if white func call => linking sign exist
	close(clnt_sock);
	close(serv_sock);

	return 0;
}

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

클라이언트 소스코드

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

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int sock;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char message[30];
	int str_len = 0;
	int idx = 0, read_len = 0;

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

	if( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 )
		error_handling("Socket() error!");
	

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

	if( connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1 )
		error_handling("connect() error");

	if( recv(sock, message, sizeof(message), 0) == -1 )
		error_handling("recv() error!");

	printf("Message from server : %s \n",message );

	close(sock);
	return 0;
}

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

서버와 클라이언트의 통신 과정은 아래의 그림과 같이 표현할 수 있다.

• send(), recv()와 read(), write()의 차이
  • send(), recv()는 통신에 좀 더 특화된 함수로써 socket lib에 선언되어 있다.
  • read(), write()는 다양한 곳에서 사용 되는 범용적인 함수로써 사용 시 OS가 직접 처리를 해줄 수 도 있다.
  • 큰 차이점중 하나는 flag를 사용할 필요가 없다면 send(), recv() 사용을 해야 한다면 read(), write()를 사용하면 된다.