OS에 의해 동작하는 프로세스이며 클라이언트의 역할을 하는 프로세스와 소켓을 통해 IPC를 수행하는 것
OSI 7계층 모델
ISO가 발표한 네트워크 통신 표준 모델(개념 모델)
각 계층은 저마다의 맡은 기능이 있으며, 사용하는 프로토콜도 다르다.
각 계층은 직전 계층에서 데이터를 전달받으며, 필요한 데이터를 붙여서 다음 계층으로 보낸다.
즉 우리가 송신자면 7계층(L7) 부터 시작해 1계층(L1)까지 데이터를 만들어 보낸 뒤, 수신자는 다시 1계층부터 7계층까지의 과정을 거쳐 최종적으로 데이터를 받는다.
TCP/IP 4계층 모델
TCP/IP는 우리가 보통 많이 쓰는 TCP/IP 통신에 기반한 네트워크 통신 모델이다.
OSI 7계층과 유사하지만, 4계층으로 간소화되어 있다.
IP주소와 포트번호
컴퓨터가 네트워크 상에서 통신을 하기 위해서는 수많은 정보의 바다에서 자신이 누구인지 유일하게 식별이 가능한 수단이 있어야 한다.
이 때 사용되는 것이 IP주소이다.
따라서 IP주소는 절대로 겹치면 안되며, 고유해야 한다.
컴퓨터가 매우 많아짐에 따라 IP주소의 부족현상이 자연스레 발생하게 되었고, 이를 해결하기 위해
사설 IP주소를 사용하여 이를 공인 IP주소로 바꾸는 NAT, 서브네팅, IPv6 등의 기술들이 등장하게 되었다.
컴퓨터가 직접 네트워크에서 통신을 하는 것이 아니고,
컴퓨터에서 동작하는 프로세스가 또 다른 컴퓨터의 프로세스와 통신을 하는 것이다.
프로세스 간의 통신을 위해 IPC(Inter-Process Communication)를 하되,
그저 다른 시스템의 프로세스와 IPC를 한다고 생각하는 것이 매우 중요 !!
IP주소를 통해 컴퓨터를 식별한 후, 해당 컴퓨터에서 어떤 프로세스에게 데이터를 보내야 하는 지 알아야 하는데,
이 때 사용되는 식별 값이 포트 번호이다.
B로 데이터를 보낸다고 할 때, 아래와 같은 형태로 데이터를 보낼 대상을 식별한다.
[서버 프로세스 B가 동작 중인 컴퓨터의 아이피 주소]:[서버 프로세스가 부여받은 포트번호]
[203.230.7.2:80]의 뜻은 [203.230.7.2의 아이피 주소를 가진 컴퓨터의 80번 포트의 프로세스]
데이터 송신 과정
1. Application (데이터를 송신하려는 서버 프로세스)
2. Sockets
3. 네트워크 스택
4. NIC
이때 다양한 운영체제의 시스템 콜, 인터럽트를 활용한다.
데이터를 송신할 때
서버 프로세스가 운영체제의 write 시스템 콜을 통해 소켓에 데이터를 보내게 되고 이후 TCP/UDP 계층과 IP 계층 그리고 대표적으로 Ethernet을 거쳐 흐름제어, 라우팅 등의 작업을 하게 된다. 마지막으로 NIC(랜 카드)를 통해 외부로 데이터를 보낸다.
데이터를 수신할 때
반대로 NIC에서 데이터를 수신하고, 인터럽트를 통해 Driver로 데이터를 옮기고 이후 네트워크 스택에서 데이터가 이동하며 소켓에 데이터가 담기고, 최종적으로 수신 대상이 되는 프로세스에 데이터가 도달한다.
소켓
TCP 전용 소켓 (=stream 소켓) : UDP와 달리 신뢰성 있는 데이터 송수신
UDP 소켓 (=datagram 소켓) : TCP와 달리 비연결지향
TCP 소켓의 핵심은 accept() 시스템 콜
1. socket() 시스템 콜
소켓을 만드는 시스템 콜
미리 Ipv4 통신을 위해 사용할지, Ipv6 통신을 위해 사용할지, TCP를 사용할지 아니면 UDP를 사용할지 틀을 만들어두는 것
socket(domain, type, protocol);
domain : IPv4, IPv6중 무엇을 사용할지 결정
type : stream, datagram 소켓 중 선택
protocol : 0, 6, 17 중 0을 넣으면 시스템이 프로토콜을 선택하며, 6이면 TCP, 17이면 UDP
int socket_descriptor;
socket_descriptor = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
socket()의 리턴 값은 파일 디스크립터이다.
리눅스에서는 모든 것을 파일로 취급하며 소켓 역시 파일로 취급한다.
web server 프로세스가 데이터를 전송하기 위해 write(), read() 시스템 콜을 사용할 때,
대상 파일의 파일 디스크립터를 파라미터로 전송하여 OS에게 어떤 파일에 데이터를 작성할 지,
혹은 어떤 파일의 데이터를 요청할 지 결정한다.
이때 파일 디스크립터가 소켓의 파일 디스크립터일 경우,
소켓에 데이터를 작성(데이터 송신) 혹은 소켓의 데이터를 읽어들이는(데이터 수신) 동작을 하게 된다.
2. bind() 시스템 콜
생성한 소켓에 실제 IP주소와 포트번호를 부여하는 시스템 콜
bind(sockfd, sockaddr, socklen_t)
sockfd: 바인딩을 할 소켓의 파일 디스크립터
sockaddr: 소켓에 바인딩 할 아이피 주소, 포트번호를 담은 구조체
socklen_t : 위 구조체의 메모리 크기
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main() {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("Socket creation failed");
return 1;
}
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET; //IPv4 주소 체계
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 모든 가능한 IP 주소
server_address.sin_port = htons(80); // 포트 번호 80
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) == -1) {
perror("Bind failed");
return 1;
}
// 바인딩 성공 처리 및 작업 수행
return 0;
}
OS에게 어떤 소켓에 IP주소와 포트번호를 부여할 지 알려주기 위해 파라미터에 소켓의 파일 디스크립터를 포함한다.
클라이언트는 통신 시 포트번호가 자동으로 부여되기 때문에 bind 시스템 콜은 서버에서만 사용한다.
3. listen() 시스템 콜 only for TCP
listen(sockfd, backlog)
sockfd : 소켓의 파일 디스크립터
backlog : 연결요청을 받아줄 크기 = TCP의 백로그 큐의 크기
#include <sys/socket.h>
int main() {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("Socket creation failed");
return 1;
}
// ... 서버 소켓의 주소와 바인딩 설정 ...
int backlog = 10; // 최대 대기열 크기
if (listen(sockfd, backlog) == -1) {
perror("Listen failed");
return 1;
}
// 리스닝 성공 처리 및 연결 요청 처리
return 0;
}
listen() 시스템콜은 연결지향인 TCP에서만 사용
파라미터로 받은 파일 디스크립터에 해당하는 소켓을 클라이언트의 연결요청을 받아들이도록 하며 최대로 받아주는 크기를 backlog로 설정한다.
listen() 시스템 콜에서 설정하는 backlog가 TCP에서의 backlog queue의 크기
어떻게 연결 요청을 받아들이게 하는가 ?
listen() 시스템 콜은 파라미터로 받은 backlog 크기만큼 backlog queue를 만드는 시스템 콜
서버에 셀 수 없이 많은 클라이언트가 요청을 보내게 되고 이 요청들은 모두 backlog queue에 저장
client가 클라이어트 소켓을 통해 처음으로 서버에 요청을 하여 backlog queue에 들어갈 때 syn 요청을 보냄
4. accept() 시스템 콜
int accept(sockfd, sockaddr, socklen_t);
sockfd : 백로그 큐의 요청을 받아들이기 위한 소켓의 파일 디스크립터
sockaddr : 선입선출로 빼온 연결 요청에서 알아낸 클라이언트의 주소 정보
socklen_t : 위 구조체의 메모리 크기
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main() {
int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_address.sin_port = htons(80);
bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
listen(server_socket, 5);
printf("Server: Waiting for client's connection...\n");
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlen = sizeof(client_address);
int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlen);
printf("Server: Accepted connection from %s:%d\n",
inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
// 3-way handshake의 나머지 두 단계 수행
char buffer[1024];
ssize_t bytes_received = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0); // 클라이언트의 ACK 받기
if (bytes_received > 0) {
printf("Server: Received ACK from client.\n");
}
accept 시스템 콜은 backlog queue에서 syn을 보내와
대기 중인 요청을 선입선출 (queue)로 하나씩 연결에 대한 수립을 해준다.
파라미터로 클라이언트의 IP주소, 포트번호를 받는데 이 값들은 백로그 큐에서 가장 앞에 있는
연결요청 구조체에서 알아내서 가져온다.
[참고] TCP 3-way handshake
TCP의 특징 신뢰성을 구현
클라이언트와 서버간에 서로 신뢰성 있는 통신을 위해 서로 준비가 되었는지를 확인하는 과정
client가 보내는 SYN이 listen 상태인 서버의 소켓에 연결 요청을 보내는 것
그 이후 과정은 accept 시스템 콜 이후 진행하여 최종적으로
established 상태를 수립하고 본격적인 데이터 송/수신이 이루어진다.
listen 이후 동작
accept 시스템 콜 이후 멀티 프로세스 / 멀티 쓰레드
accept 시스템 콜 이후 곧바로 잔여 3-way handshake 이후 데이터 송/수신이 이루어지는 것은 아니다.
서버의 성능을 위해 멀티 프로세스 혹은 멀티 쓰레드의 테크닉이 들어간다.
하나의 프로세스인 서버가 클라이언트의 수많은 요청을 받는 상황에서, 백로그 큐의 가장 앞에 있던 클라이언트의 요청을 받고 응답까지 . 다주고 다시 다음 요청을 받아준다면 엄청난 병목이 생길 것이다.
따라서 서버는 연결 요청을 받는 부분 따로, 이후 응답까지 주는 부분을 따로 나누게 된다.
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main() {
int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_address.sin_port = htons(80); // 웹 서버 포트인 80
bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
listen(server_socket, 5);
printf("Server: Listening on port 80...\n");
while (1) {
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlen = sizeof(client_address);
int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlen);
if (fork() == 0) { // 자식 프로세스 <- 이 부분에 집중!
printf("Server: Accepted connection from %s:%d\n",
inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
// 3-way handshake의 나머지 두 단계 수행
// 여기서는 ACK를 보내는 과정만 간단히 보여줍니다.
sleep(1); // 실제로는 필요한 로직 수행
// 서버의 응답 전송
char response[] = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!";
send(client_socket, response, strlen(response), 0);
printf("Server: Sent response to client.\n");
close(client_socket);
exit(0);
}
close(client_socket);
}
close(server_socket);
return 0;
}
accept 시스템 콜의 응답을 받았다
= SYN 요청을 보낸 클라이언트가 적어도 하나 있어서 백로그 큐에 있었고 해당 클라이언트의 요청에 대한 이후 응답을 위해
새로운 소켓을 만들었다.
-> accept() 시스템 콜의 리턴값은 새로운 소켓의 파일 디스크립터인데, 새로운 소캣을 만드는 이유
fork() 시스템 콜
fork() - 자식 프로세스 생성
리턴값 = 0이면 자식 프로세스 / 0이 아님 = 원래 본인(부모) 프로세스
부모 프로세스 : 연결 요청을 받아주고 자식 프로세스에게 나머지 일을 맡김 , 다시 새로운 연결요청을 받아주는 형태
#include <stdio.h#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main() {
int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_address.sin_port = htons(80); // 웹 서버 포트인 80
bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
listen(server_socket, 5);
printf("Server: Listening on port 80...\n");
while (1) {
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlen = sizeof(client_address);
int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlen);
if (fork() == 0 -> false ) {
실행안함
}
}
close(server_socket);
return 0;
}
자식 프로세스 : 부모 프로세스가 새로 만들어준 소켓을 이어받아 잔여 3-way handshake 수행 후 데이터 통신 수행
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main() {
int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_address.sin_port = htons(80); // 웹 서버 포트인 80
bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
listen(server_socket, 5);
printf("Server: Listening on port 80...\n");
while (1) {
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlen = sizeof(client_address);
int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlen);
if (fork() == 0) { // 자식 프로세스 <- 이 부분에 집중!
printf("Server: Accepted connection from %s:%d\n",
inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
// 3-way handshake의 나머지 두 단계 수행
// 여기서는 ACK를 보내는 과정만 간단히 보여줍니다.
sleep(1); // 실제로는 필요한 로직 수행
// 서버의 응답 전송
char response[] = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!";
send(client_socket, response, strlen(response), 0);
printf("Server: Sent response to client.\n");
close(client_socket);
exit(0);
}
close(client_socket);
}
close(server_socket);
return 0;
}
