[리눅스 네트워킹 프로그래밍] UDP 네트워크 프로그래밍

<서영진 님의 사물인터넷을 위한 리눅스 프로그래밍 with 라즈베리파이 서적을 참고해서 작성하였습니다 :-)>

 

⭐ 소켓의 이용

UDP 프로토콜은 데이터의 전송 시 신뢰성은 없지만 속도가 빠르기 때문에 일반적인 LAN 환경에서 많이 사용

LAN 상에서는 패킷의 분실이 거의 없다고 함

 

서버의 경우 bind() 함수를 사용하여 운영체제의 해당 포트로 들어오는 서비스를 UDP 서버에서 사용할 수 있도록 연결해줘야 한다

UDP서버와 클라이언트 모두 sendto() 함수를 통해서 데이터그램을 보내고, recvfrom) 함수를 통해 데이터그램을 수신한다

소켓 사용이 끝나면 close() 함수를 사용하여 소켓을 닫는다

 

유닉스에서 인터넷 통신을 하기 위해서는 먼저 소켓을 생성해야 하는데, socket() 함수를 사용한다

호출에 성공하면 소켓에 대한 파일 디스크립터를 반환하고, 실패하면 -1을 반환한다

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

domain : 소켓의 통신 방식

인터넷으로 통신할 것인지, 내부적인 파일 시스템을 이용해 통신할 것인지

도메인	내용	비고
PF_INET, AF_INET	IPv4 인터넷 프로토콜 사용
PF_INET6, AF_INET6	IPv6 인터넷 프로토콜 사용
PF_LOCAL, AF_LOCAL	같은 유닉스 시스템 내에서 프로세스끼리 통신한다	PF_UNIX, AF_UNIX
PF_PACKET, AF_PACKET	저수준 소켓 인터페이스 사용	SOCKET_PACKET

PF : Protocol Family

AF : Address Family

 

type : 소켓의 전송 방식

소켓은 TCP, UDP 를 지원하며, IP를 직접 이용하거나 직접 프로토콜을 만들 때 사용할 수 있는 Raw 소켓도 지원

스트림 소켓은 TCP 기반 신뢰성 필요한 통신에 이용

데이터그램 소켓은 UPD 기반 신뢰성 없는 빠른 통신에 이용

타입	상수	내용
스트림 소켓	SOCKET_STREAM	연결 지향형 TCP 기반 소켓 간의 연결 후 데이터 전송
데이터그램 소켓	SOCKET_DGRAM	비연결형의 UDP 기반 송수신 시 도착지 주소 필수
Raw 소켓	SOCKET_RAW	저수준 프로토콜 접근 IP 계층을 이용하며 ICMP, OSPF 등이 사용됨

 

protocol : 네트워크 프로토콜

보통은 0의 값을 많이 사용함 (각각의 회사별로 다양한 프로토콜 사용햇지만, 주로 TCP/IP가 사용되는 중)

 

⭐ 서버를 위한 bind() 함수

UDP 서버를 생성하기 위해서는 bind() 함수를 사용해서 클라이언트로부터 들어오는 서비스를 현재의 애플리케이션이 사용할 수 있도록 해당 포트를 운영체제에 등록하는 작업을 수행해야 한다

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

 

sockfd : socket() 함수를 통해 반환받은 소켓의 파일 디스크립터

*addr : UDP 서버의 주소 정보

addrlen : 주소 크기

 

유닉스 내부에서 통신을 사용하는 경우 socketaddr_un 구조체를 사용하며 주소로 파일 위치를 사용

네트워크 통신을 사용하는 경우 sockaddr_in 구조체를 사용하며 서버의 IP 주소와 포트 번호를 사용

이 두 구조체를 하나로 통합하는 구조체가 sockaddr 구조체

 

⭐ 바이트 순서 변환

네트워크 서버로 많이 사용되었던 SUN 에서 사용하는 RISC CPU 와 IBM PC 에서 사용하는 인텔의 x86 CPU는 메모리에 데이터를 저장하는 방식이 다르다

 

인텔의 x86이나 DEC의 프로세스에서 사용하는 리틀 엔디안 방식이 가장 작은 값의 바이트부터 먼저 표시 됨

16진수 1A2B3C4D -> 4D3C2B1A

IBM 370 컴퓨터와 썬 마이크로시스템즈의 SPARC 등 RISC 방식의 워크스테이션용 CPU들은 빅 엔디안 사용

 

네트워크상에서는 순차적으로 데이터가 전송되는데 빅 엔디안이 더 적합하다

네트워크 바이트 순서 (Network Byte Order) 은 송/수신 데이터 모두 빅 엔디안으로 간주해서 처리해야 함

 

PC에서 사용되고 있는 CPU는 인텔 계열의 CPU 이기 때문에 엔디안 변환이 필요할 수 있는데, 유닉스는 호스트 바이트 순서와의 변환을 위한 다양한 함수들을 제공하고 있다

 

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

엔디안 변환 방향에는 hton 방향과 ntoh 방향이 있다

hton 은 호스트에서 네트워크 바이트 순서 (host to network)

ntoh 은 네트워크에서 호스트 바이트 순서 (network to host)

접미어는 변환 크기를 나타니며, s 는 short(16비트), l 은 long(32비트)

 

IPv4의 IP 주소는 32비트이므로 htonl() 함수, 포트 번호는 16진수이므로 htons()

h는 호스트, be는 빅 엔디안, le는 리틀 엔디안

숫자는 비트 수

 

⭐ 네트워크 주소 변환

네트워크의 주소는 IP 주소 이거나 도메인 네임

IP 주소는 soctaddr_in 구조체의 sin_addr 항목에서 사용하는 값은 16진수의 정수값 이므로 이 문자열을 16진수로 변환한다

함수	내용	비고
inet_pton()	문자열 형태의 IP주소를 숫자 형태의 IP 주소로 변환	inet_aton() 또는 inet_addr()
inet_ntop()	숫자 형태의 IP주소를 문자열 형태의 IP 주소로 변환	inet_ntoa()
inet_network()	IP주소를 호스트 순서에서 네트워크 순서로 변환한다

 

⭐ UDP 데이터의 송수신

TCP 는 서버가 연결되어 있으므로 read() 나 write() 같은 파일 디스크립터를 조작하는 함수를 이용해서 데이터 송수신

UDP 는 서버가 연결되어 있지 않으므로 다른 함수를 사용함, sendto() 함수와 recvfrom()

UDP 는 sendto() 함수에 데이터를 받을 상대방의 정보 (주소와 포트번호)를 입력하고 recvfrom() 함수를 이용해서 데이터를 보낸 상대방의 정보를 가져올 수 있다

 

UDP 에서도 하나의 서버만 통신하는 경우라면 connect() 함수를 이용해서 서버에 접속한 후, 지정된 주소와 read()나 write() 함수를 통해 통신을 수행할 수 있다

sendto() 함수나 recvfrom() 함수들은 데이터를 주고받을 때 네트워크를 연결하고 처리가 끝나면 연결된 네트워크는 끊어진다

connect() 를 이용하면 네트워크의 연결을 계속 유지하기 때문에 빠른 속도로 제공할 수 있다

 

⭐ 바이트 조작

네트워크 프로그래미에서는 IP주소나 기타 처리를 위해 바이트 조작이 필요한 경우가 많다

바이트 조작을 위해 memset(), memcpy(), memcmp() 등의 함수가 제공되며

BSD 유닉스에서 bzero(), bcopy(), bcmp() 등의 함수를 제공한다

 

memset() 함수는 메모리의 바이트를 특정 값으로 설정할 수 있지만

네트워크 주소와 초기화는 주로 bzero() 함수를 사용해서 바이트를 모두 0으로 설정한다

// udp_server.c
// 소켓을 이용해서 UDP로 서로 통신하기
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>

#define UDP_PORT 5100

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd,n;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t len;
    char mesg[1000];

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 	/* UDP를 위한 소켓 생성 */

    /* 접속되는 클라이언트를 위한 주소 설정 후 운영체제에 서비스 등록 */
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(UDP_PORT);
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    /* 클라이언트로부터 메시지를 받아서 다시 클라이언트로 전송 */
    do {
        len = sizeof(cliaddr);
        n = recvfrom(sockfd, mesg, 1000, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
        sendto(sockfd, mesg, n, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
        mesg[n] = '\0';
        printf("Received data : %s\n", mesg);
    } while(strncmp(mesg, "q", 1));

    close(sockfd); 				/* 사용이 끝난 후 소켓 닫기 */

    return 0;
}

/*
서버는 클라이언트로부터 데이터를 받아서 그대로 다시 되돌려주는 에코 (ECHO) 서버

socket() 함수에 SOCK_DGRAM 옵션을 사용해서 UDP를 위한 소켓의 파일 디스크립터를 연다
해당 프로그램을 서버로 사용하기 위해서는 운영체제에 서비스를 등록해야 한다 -> bind()
bind() 함수에 sockaddr_in 구조체를 사용해서 서버의 주소와 포트 번호를 설정한다
설정하기 전에 sockaddr_in 구조체를 memset() 함수를 통해 0으로 초기화
서버의 주소가 동적으로 바귀더라도 사용하기 쉽도록 INADDR_ANY 사용
htonl() 와 htons() 함수를 이용해서 IP 주소와 포트 번호를 네트워크 순서로 엔디안 변경

루프문 돌면서 클라이언트로부터 데이터를 받고, 받은 데이터를 sendto() 함수를 이용해서 다시 클라이언트로 전송
클라이언트에서 문자열 'q' 가 오면 종료, 모든 작업이 끝나면 close() 함수로 소켓 닫기
*/

// udp_client.c
// 소켓을 이용해서 UDP로 서로 통신하기
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define UDP_PORT 5100

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, n;
    socklen_t clisize;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    char mesg[BUFSIZ];

    if(argc != 2) {
        printf("usage : %s <IP address>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 	/* UDP를 위한 소켓 생성 */

    /* 서버의 주소와 포트 번호를 이용해서 주소 설정 */
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;

    /* 문자열을 네트워크 주소로 변경 */
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &(servaddr.sin_addr.s_addr));
    servaddr.sin_port = htons(UDP_PORT);

    /* 키보드로부터 문자열을 입력받아 서버로 전송 */
    do {
        fgets(mesg, BUFSIZ, stdin);
        sendto(sockfd, mesg, strlen(mesg), 0, (struct sockaddr *)&servaddr,
        sizeof(servaddr));
        clisize = sizeof(cliaddr);

        /* 서버로부터 데이터를 받아서 화면에 출력 */
        n = recvfrom(sockfd, mesg, BUFSIZ, 0, (struct sockaddr*) &cliaddr, &clisize);
        mesg[n] = '\0';
        fputs(mesg, stdout);
    } while(strncmp(mesg, "q", 1));

    close(sockfd);

    return 0;
}

/*
프로그램을 싫랭할 때 접속할 서버의 주소를 입력하면 되는데
입력받은 문자는 inet_pton() 함수를 이용해서 16진수 주소로 변환할 수 있다

라즈베리파이로 접속중이라면 서버를 백그라운드 모드로 실행한다 &
같은 라즈베리파이 안에서 UDP 서버와 클라이언트를 함께 실행할 때 서버 주소로 127.0.0.1
127.0.0.1은 루프백 주소라고도 하는데, 현재 시스템 자체의 IP 주소를 지칭할 때 사용한다

클라이언트에서 문자열을 입력하면 UDP를 통해 클라이언트와 서버 간 통신이 이뤄진다
서버는 운영체제에서 넘어온 데이터를 받아서 화면에 출력한 뒤 바로 출력하고
다시 클라이언트의 입력을 기다린다
*/

gcc -o udp_server udp_server.c 
gcc -o udp_client udp_client.c 
./udp_server &
./udp_client 127.0.0.1