[네트워크] 소켓은 어떻게 작동할까?
Table of Contents
Network - This article is part of a series.
네트워크 공부를 하다 보면, 소켓에 대해 많이 접하게 됩니다. 본 포스팅에서는 소켓이 무엇이며, 어떤 역할을 하는지 알아보겠습니다. 또한 C언어로 실제 클라이언트-서버 사이 소통을 구현해보겠습니다.
데이터를 송신,수신하는 과정은?#
클라이언트와 서버 간에 데이터를 송신,수신 할때 정확히 어떤 일이 일어날까요? 메세지를 송신,수신하는 역할은 정확히 우리 컴퓨터의 운영체제가 담당합니다. 즉, 사용자가 브라우저를 통해 웹 서버에 어떤 정보를 요청해도, 실질적으로 메세지를 보내는 역할은 운영체제가 합니다. 정확히 말하자면, 브라우저는 해당 웹 서버에 메세지를 송신하도록 Socket 라이브러를 호출하여, OS 내부에 있는 프로토콜 스택에 메세지 송신을 의뢰합니다.
Socket 라이브러리를 이용한 데이터 송수신을 비유하자면, 마치 송신/수신하는 컴퓨터 사이에 파이프라인과 같은 데이터의 통로가 있다고 생각하면 됩니다. 서버와 클라이언트에 각각 소켓이 있고, 소켓 사이가 파이프와 같은 것으로 연결되고, 데이터가 파이프 사이로 흐릅니다.
파이프는 실제로 물리적으로 파이프가 만들어지는 것이 아니라, 논리적인 커넥션 개념입니다. 소켓은 파이프 양끝에 있는 데이터의 출입구로, 네트워크를 통해 다른 시스템과 통신할 수 있게 해주는 인터페이스의 역할을 합니다. 논리적인 연결에서 각 소켓은 특정 IP주소와 포트 번호로 바인딩되어서, 네트워크 상 다른 소켓과 구별됩니다. 비유하자면, 연결을 맺는다는 것은 “나 너에게 이 IP주소를 가지고 xx번 포트 번호로 보낼거니까 거기로 데이터 들어가면 난 줄 알아!” 라고 약속을 하는 개념입니다.
하지만 이전에 파이프를 만드는 작업부터 해야 합니다. 이때 실제로는 서버 측에서 소켓을 만들고, 소켓에 클라이언트가 파이프를 연결하기를 기다립니다. 그러면 클라이언트 측도 소켓을 만들고, 서버측의 소켓에 연결합니다.
즉 4가지 단계로 요약할 수 있습니다.
- 소켓 만들기 (소켓 작성 단계)
- 서버측의 소켓에 파이프 연결하기 (접속 단계)
- 데이터를 송신,수신하기 (송,수신 단계)
- 파이프를 분리하고 소켓 말소하기(연결 끊기 단계)
어플리케이션이 OS에게 데이터 송신,수신 의뢰하기#
어플리케이션은 데이터를 송신,수신하기 위해 OS에게 의뢰해야 합니다. (실질적인 메세지 송수신 과정은 OS만 할 수 있습니다!) 이때, 어플리케이션은 Socket 라이브러리 프로그램을 호출합니다. 이때 여러 과정을 거치는데, 자세히 살펴보겠습니다.
- 소켓 생성하기
클라이언트 측에서 소켓을 만드는 것은, socket 라이브러리의 socket 을 호출합니다. 소켓이 생기면 디스크립터가 만들어지는데, 이것은 소켓을 식별하기 위해 사용됩니다.
- 파이프를 연결하는 접속 단계
다음으로는 소켓을 서버측의 소켓에 접속하도록 OS의 프로토콜 스택에 의뢰합니다. 이때 socket 라이브러리의 connect 를 사용합니다. 이때 디스크립터, 서버의 IP주소, 포트번호 3가지 값이 필요합니다. 포트번호는 서버에 연결했을때, 서버의 어떤 소켓을 사용할지를 결정합니다. 그러면 서버는 클라이언트측의 소켓 번호를 어떻게 알 수 있을까요? 이것은, 먼저 클라이언트측의 소켓의 포트 번호는 소켓을 만들 때 프로토콜 스택이 적당한 값을 골라서 할당합니다. 그리고 이 값을 프로토콜 스택이 서버측에 접속할 때 통지합니다.
- 메세지를 송수신하는 단계
소켓이 연결되면, 소켓에 데이터를 넣으면 상대측에 데이터가 도착합니다. 이때 write 를 사용합니다. 어플리케이션은 송신할 데이터를 메모리에 준비하고, write 를 호출할 때 디스크립터와 송신 데이터를 저장합니다. 그러면 프로토콜 스택이 송신 데이터를 서버에 송신합니다. 그러면 서버는 그 데이터를 받고, 적절한 응답 메세지를 보냅니다. 수신할 때는 read 를 사용합니다. 수신한 응답 메세지를 저장하기 위해 메모리 영역을 지정하는데, 이 영역을 수신 버퍼라고 합니다. 응답 메세지를 read 로 받아서 수신 버퍼에 저장하고, 이 메세지를 다시 어플리케이션에게 전달해줍니다.
- 연결 끊기 단계
Socket 라이브러리의 close 를 사용하여 연결을 종료합니다. 그러면 소켓도 말소되고, 소켓 사이의 연결도 끊깁니다.
C로 보는 소켓 프로그래밍#
이제 C를 사용해서, 실제 소켓 프로그래밍이 어떻게 이루어지는지 봅시다.
서버측의 소켓은 특정 IP의 특정 포트 번호를 listen 하고, 클라이언트 측의 소켓은 연결을 시도합니다. 서버는 listener socket 를 만듭니다.
Stages for Server#
서버 쪽에서 준비해야 하는 단계들을 봅시다.
- Socket Creation
int sockfd = socket(domain, type, protocol)
- sockfd : 소켓 디스크립터
- domain : 커뮤니케이션 도메인
- type : 연결 타입. SOCK_STREAM 은 TCP를 뜻하고, SOCK_DGRAM 은 UDP연결을 뜻합니다.
- protocol : IP를 위한 프로토콜 값
- Setsockopt
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
이 단계는 옵셔널입니다. 이 단계에서는 디스크립터에 의해 지정된 소켓을 조작하기 위한 몇가지 옵션을 제공합니다. 이 옵션으로 주소와 포트 번호를 재사용할 수 있습니다.
- Bind
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
소켓이 만들어진 후, bind 함수는 소켓을 addr 에 명시된 주소와 포트 번호로 바인딩합니다.
- Listen
int listen(int sockfd, int backlog);
서버 소켓을 passive 모드로 만드는데, 클라이언트가 접근해서 연결을 맺기를 기다립니다. backlog 는 특정 소켓에 연결하기를 기다리는 요청을 담은 큐의 최대 길이를 정의합니다. 만약 큐가 다 찼는데 요청이 오면, 클라이언트는 ECONNREFUSED 와 같은 에러를 받을 수 도 있습니다.
- Accept
int new_socket= accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
listen 하고 있는 소켓의 큐에 있는 첫번째 요청을 뽑아냅니다. 그 후 연결된 새로운 소켓을 만들고, 그 소켓을 가리키는 새로운 파일 디스크립터를 리턴합니다. 이 시점에서 서버와 클라이언트 사이에 연결은 수립되었고, 데이터를 전송할 준비는 완료되었습니다.
Stages for Client#
이제 클라이언트 쪽에서 준비해야 하는 단계들을 봅시다.
- Socket Connection
서버 쪽에서 하는 일과 동일하게 동작합니다.
- Connect
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
connect() 시스템 콜은 sockfd 에 의해 명시된 소켓에 연결합니다. 서버의 주소와 포트는 addr 에 명시되어 있습니다.
구현#
server.c
// Server side C program to demonstrate Socket
// programming
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
int main(int argc, char const* argv[])
{
int server_fd, new_socket;
ssize_t valread;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
socklen_t addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = { 0 };
char* hello = "Hello from server";
// Creating socket file descriptor
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// Forcefully attaching socket to the port 8080
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET,
SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt,
sizeof(opt))) {
perror("setsockopt");
exit(EXIT_FAILURE);
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
// Forcefully attaching socket to the port 8080
if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address,
sizeof(address))
< 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if ((new_socket
= accept(server_fd, (struct sockaddr*)&address,
&addrlen))
< 0) {
perror("accept");
exit(EXIT_FAILURE);
}
valread = read(new_socket, buffer,
1024 - 1); // subtract 1 for the null
// terminator at the end
printf("%s\n", buffer);
send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
printf("Hello message sent\n");
// closing the connected socket
close(new_socket);
// closing the listening socket
close(server_fd);
return 0;
}
client.c
// Client side C program to demonstrate Socket
// programming
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
int main(int argc, char const* argv[])
{
int status, valread, client_fd;
struct sockaddr_in serv_addr;
char* hello = "Hello from client";
char buffer[1024] = { 0 };
if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
printf("\n Socket creation error \n");
return -1;
}
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(PORT);
// Convert IPv4 and IPv6 addresses from text to binary
// form
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr)
<= 0) {
printf(
"\nInvalid address/ Address not supported \n");
return -1;
}
if ((status
= connect(client_fd, (struct sockaddr*)&serv_addr,
sizeof(serv_addr)))
< 0) {
printf("\nConnection Failed \n");
return -1;
}
send(client_fd, hello, strlen(hello), 0);
printf("Hello message sent\n");
valread = read(client_fd, buffer,
1024 - 1); // subtract 1 for the null
// terminator at the end
printf("%s\n", buffer);
// closing the connected socket
close(client_fd);
return 0;
}
실제로 server.c, client.c 를 컴파일하고 실행해봅시다. 이때, client.c 먼저 실행하면 아래와 같이 connection failed 오류가 납니다.
서버쪽 소켓을 먼저 생성한 후, 클라이언트가 연결해야 합니다. 아래와 같이 실행하면 정상 동작하는 것을 확인할 수 있습니다.
소켓은 OSI 7계층 중 어디에 속할까요?#
소켓은 OSI 7계층 중 세션 레이어에 속합니다. 소켓은 하나의 컴퓨터와 다른 컴퓨터가 소통하기 위한 창구같은 개념입니다. 네트워크 소켓(network socket)은 컴퓨터 네트워크를 경유하는 프로세스 간 통신의 종착점입니다. 오늘날 컴퓨터 간 통신의 대부분은 인터넷 프로토콜을 기반으로 하고 있으므로, 대부분의 네트워크 소켓은 인터넷 소켓입니다. 네트워크 통신을 위한 프로그램들은 소켓을 생성하고, 이 소켓을 통해서 서로 데이터를 교환합니다.