[리눅스 네트워크 프로그래밍] TCP서버와 클라이언트 프로그래밍

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

 

⭐ TCP 

TCP 는 연결 기반의 신뢰성이 있는 통신 방식으로 FTP, 메일, 웹 서비스 등 인터넷을 이용한 다양한 서비스에서 사용되고 있다

TCP 는 주로 서버와 클라이언트 간 통신 방식이다

 

TCP 서버는 소켓을 생성한 후 바인드 (bind) 하는 과정은 UDP 과정과 동일하다

but🚨 UDP와 다르게 TCP 는 클라이언트가 3 Way-Handshaking (connect() 함수) 를 통해서 서버에 접속하기 때문에 클라이언트의 대기를 처리하기 위한 큐 (queue) 가 필요하다

이를 위해 listen() 함수를 통해 대기 큐를 설정하고, accept() 함수를 통해 클라이언트의 접속을 기다릴 수 있다

TCP 클라이언트는 먼저 소켓을 생성하고 서버에 접속을 해야하는데, connect() 함수를 이용한다

서버와 접속된 후에는 read() 나 write() 함수를 통해 통신을 진행해도 되고, recv()나 send() 함수를 사용해도 된다

UDP 와 달리, 이미 서버에 접속해 있으므로 데이터를 보낼 때 서버의 정보를 사용할 필요가 없다

TCP도 UDP 와 같이 관련 통신 작업이 완료되면 close() 함수를 불러서 소켓을 닫아주면 된다

 

⭐ TCP 클라이언트

TCP 클라이언트는 소켓을 만든 후에 TCP 서버에 접속해야 한다

connect() 함수를 이용하여 서버에 접속하고, write()나 send() 함수를 통해 데이터를 보내며 read()나 recv() 함수를 통해 데이터를 받을 수 있다

서버와의 통신이 끝나면 close() 함수를 이용해서 열었던 소켓을 닫는다

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

connect() 함수는 서버의 소켓에 연결하며, 서버와의 연결에 성공하면 0을 반환하고, 서버 소켓이 존재하지 않거나 소켓 큐가 가득 차 있으면 -1을 반환한다

 

소켓은 파일 디스크립터로 취급되기 때문에 read(), write() 함수를 통해서 데이터를 읽거나 보낼 수 있으며, recv()나 send() 함수를 이용해 통신을 수행할 수 있다

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
sszie_T send(int sockfd, const void * buf, size_T len, int flags);

 

⭐ TCP 서버

TCP 서버는 TCP 클라이언트와의 통신을 위해 소켓을 생성한 후, bind() 함수를 사용하여 운영체제 (커널)에 서비스를 연결함으로써 서버로 접속하는 클라이언트의 데어터를 받을 수 있도록 준비한다

 

클라이언트 서비스의 준비가 완료되면 서버에서 클라이언트의 접속을 처리해야 할 메모리 공간이 필요하게 된다

이때 listen() 함수를 이용해서 연결 요청을 위한 대기 큐를 설정할 수 있다

int listen(int sockfd, int backlog);

lisetn() 함수는 연결 요청을 할 수 있는 소켓의 최대 수를 명시하며, 이 수를 넘어서는 클라이언트의 연결 시도는 거부된다

 

서버에서 클라이언트의 연결에 대한 공간 (대기 큐)를 확보한 후에는 클라이언트의 연결을 대기해야 하는데, accept() 함수를 이용할 수 있다

accept() 함수를 통해서 서버에 클라이언트가 연결되면 클라이언트와 통신할 수 있는 소켓에 대한 파일 디스크립터가 반환된다

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

accept() 함수에는 접속한 클라이언트의 정보를 얻기 위해 주소 구조체를 사용한다

주소 구조체 필드 중 IP와 포트는 빅 엔디안으로 사용되기 때문에 인코딩 변환이 필요할 수 있다

클라이언트의 접속이 이뤄지면 클라이언트와의 통신을 위한 새로운 포트 번호가 반환되며 이를 통해 서버와 클라이언트 간 통신을 처리할 수 있다

 

// tcp_server.c
// TCP 소켓 기반의 통신
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define TCP_PORT 5100 				/* 서버의 포트 번호 */

int main(int argc, char **argv)
{
    int ssock; 					/* 소켓 디스크립트 정의 */
    socklen_t clen;
    int n;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; 	/* 주소 구조체 정의 */
    char mesg[BUFSIZ];

    /* 서버 소켓 생성 */
    if((ssock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket()");
        return -1;
    }

    /* 주소 구조체에 주소 지정 */
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(TCP_PORT); 	/* 사용할 포트 지정 */

    /* bind 함수를 사용하여 서버 소켓의 주소 설정 */
    if(bind(ssock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind()");
        return -1;
    }

    /* 동시에 접속하는 클라이언트의 처리를 위한 대기 큐를 설정 */
    if(listen(ssock, 8) < 0) {
        perror("listen()");
        return -1;
    }

    clen = sizeof(cliaddr);
    do {
        /* 클라이언트가 접속하면 접속을 허용하고 클라이언트 소켓 생성 */
        int n, csock = accept(ssock, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clen);

        /* 네트워크 주소를 문자열로 변경 */
        inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, mesg, BUFSIZ);
        printf("Client is connected : %s\n", mesg);
        if((n = read(csock, mesg, BUFSIZ)) <= 0)
            perror("read()");
        printf("Received data : %s", mesg);

        /* 클라이언트로 buf에 있는 문자열 전송 */
        if(write(csock, mesg, n) <= 0)
            perror("write()");
        close(csock); 			/* 클라이언트 소켓을 닫음 */
    } while(strncmp(mesg, "q", 1));

    close(ssock); 			/* 서버 소켓을 닫음 */

    return 0;
}

/*
서버는 클라이언트로부터 데이터를 받아서 그대로 보내주는 TCP 기반의 에코 서버
socket() 함수에 SOCK_STREAM 옵션을 사용하여 TCP 용 소켓 디스크립터를 연다

UDP와 마찬가지로 해당 프로그램을 서버로 사용하기 위해서는 bind() 함수를 이용하여 운영체제에 서비스를 등록해야 하고,
bind() 함수의 두 번째 인자로 서버 자신의 IP 주소를 사용해야 한다

쉽게 처리하기 위해 INADDR_ANY 를 사용하였는데, 서버의 IP 주소를 자동으로 찾아서 채워준다
클라이언트의 통신을 위한 포트 번호도 설정하였다

클라이언트의 소켓들을 위해 대기 큐를 설정해야 한다. listen() 함수를 이용해서 최대 8대의 클라이언트가 동시 접속 대기를 할 수 있도록 설정하였다
소켓 큐의 설정이 끝나면 클라이언트의 접속을 기다려야 하는데, accept() 함수를 사용할 수 있다

접속한 클라이언트에 대한 정보는 두 번째 인자로 전달되며, inet_ntop() 등의 함수로 사람이 읽을 수 있는 문자 기반의 주소 스트림으로 변환해서 출력할 수 있다
실제 클라이언트의 통신은 accpet() 함수로 반환되는 소켓 디스크립터를 이용하고 read() / recv() 와 write() / send() 같은 함수를 이용해서 통신을 진행할 수 있다

통신 작업이 끝나면 close() 함수로 접속된 클라이언트와 서버의 소켓을 각각 닫는다
*/

// tcp_client.c
// TCP 소켓 기반의 통신
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define TCP_PORT 5100

int main(int argc, char **argv)
{
    int ssock;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char mesg[BUFSIZ];

    if(argc < 2) {
        printf("Usage : %s IP_ADRESS\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    /* 소켓을 생성 */
    if((ssock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket()");
        return -1;
    }

    /* 소켓이 접속할 주소 지정 */
    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(TCP_PORT);

    /* 지정한 주소로 접속 */
    if(connect(ssock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("connect()");
        return -1;
    }

    fgets(mesg, BUFSIZ, stdin);
    if(send(ssock, mesg, BUFSIZ, MSG_DONTWAIT) <= 0) { 	/* 데이터를 소켓에 쓴다. */
        perror("send()");
        return -1;
    }

    memset(mesg, 0, BUFSIZ);
    if(recv(ssock, mesg, BUFSIZ, 0) <= 0) { 		/* 데이터를 소켓으로부터 읽는다. */
        perror("recv()");
        return -1;
    }

    printf("Received data : %s", mesg); 		/* 받아온 문자열을 화면에 출력 */ 

    close(ssock); 					/* 소켓을 닫는다. */ 

    return 0;
}

/*
클라이언트에서는 TCP 용 소켓을 생성한 후 connect() 함수를 사용하여 서버에 접속한다
connect() 함수에는 서버 주소에 대한 정보를 명시한다
기본적인 주소 설정 방법은 bind() 함수와 동일하지만, connect() 함수는 INADDR_ANY 를 사용할 수 없다 (포트 번호는 서버와 같은 번호를 사용)

서버에 접속한 후 fgets() 함수를 이용해서 키보드로 데이터를 받아들인 후, 앞에서 생성한 소켓을 이용하여 send() 나 write() 함수를 통해 서버로 데이터를 보내고,
resv() 나 read() 함수를 통해 데이터를 받는다. printf() 함수를 이용해서 서버로부터 받은 데이터를 화면에 표시하였다

앞의 코드를 빌드하고 먼저 서버를 실행시킨다. UDP 와 마찬가지로 클라이언트를 함께 실행하려면 다른 터미널이 필요하므로 다른 터미널을 열고 로그인 OR 서버를 백그라운드로 ㅣㄹ행
같은 라즈베리파이/PC 에서 실행되고 있는 서버로 접속할 때는 서버의 127.0.0.1을 입력한다

클라이언트에서 문자열을 입력하면 TCP 를 통해서 클라이언트와 서버 간에 통신이 이뤄진다
클라이언트는 먼저 서버로 문자열을 보내면 서버에서는 문자열을 읽고 다시 클라이언트에게 되돌려준다
클라이언트는 서버로부터 전달된 데이터를 받아서 화면에 출력하고 서버를 종료하고 싶을 때는 클라이언틀르 시작하고 q 를 입력하면 된다
*/

gcc -o tcp_server tcp_server.c 
gcc -o tcp_client tcp_client.c 
./tcp_server &
./tcp_client 127.0.0.1

 

⭐ 우아한 연결 종료: shutdown() 함수

close() 함수를 사용하면 서버에서의 읽기 / 출력 용 소켓을 모두 닫는다

shutdown() 함수를 사용하면 경우에 따라 읽기 소켓만 닫거나, 쓰기 소켓만 닫을 수 있다

int shutdown(int sockfd, int how);

 

shutdown() 함수의 두 번째 인자(how) 를 통해 읽거나 쓰기 혹은 읽기/쓰기 용 소켓을 모두 닫을 수 있다

shutdown() 함수에 SHUT_RDWR 을 이용하면 close() 함수처럼 입/출력 스트림을 모두 닫는데, close() 함수와 달리 별다른 작업 없이 바로 종료시킨다

상숫값	모드	내용
0	SHUT_RD	입력 스트림 종료
1	SHUT_WR	출력 스트림 종료
2	SHUT_RDWR	입/출력 스트림 종료

 

클라이언트 코드에서는 데이터를 내보낸 후에 shutdown() 함수를 이용해 소켓의 쓰기 스트림을 닫고 (SHUT_WR), 데이터를 읽은 후에는 소켓 읽기 스트림을 닫을 수 있다 (SHUT_RD)