[c언어] TCP/IP Socket 통신 흐름

셂 2024. 10. 7. 16:17

IP / Port numbers

IP 주소: 네트워크에서 장치를 식별하는 고유한 주소
포트 번호: 특정 프로세스나 서비스를 식별하는 숫자
일반적으로, IP 주소는 패킷이 어떤 시스템(컴퓨터 등)에 라우팅될 것인가를 결정한다면, Port number는 이 시스템의 어떤 어플리케이션에 패킷을 라우팅할 지 결정
- 192.168.1.1:80은 IP 주소 192.168.1.1의 80번 포트를 통해 HTTP 서비스를 제공하는 서버

sockets

네트워크 프로그래밍에서 클라이언트와 서버 간의 통신을 위한 엔드포인트(통신을 하기 위한 마지막 부분)
네트워크 통신을 하는 방법들을 추상화하여 사용자에게 제공된 것
- 모든 네트워크 통신은 소켓 기반

[소켓의 구성 요소]

Local IP 주소
Local Port
Remote IP address (목적지 주소)
Remote port (목적지 포트)
Protocol (UDP, TCP)

※ 금융권에서 HTTP(application layer) 대신 TCP(transport layer) 통신을 사용하는 이유

보안성: TCP는 세션 기반의 통신을 제공하여 연결이 안정적이다. 금융 거래에서는 데이터의 무결성과 보안을 최우선으로 하기 때문에, TCP를 통해 암호화된 데이터 전송(예: TLS/SSL)을 쉽게 구현할 수 있다.
신뢰성: TCP는 데이터 전송 중 손실된 패킷을 자동으로 재전송하는 기능이 있어, 데이터의 신뢰성을 보장한다. 금융 거래에서는 데이터가 정확하게 전달되는 것이 매우 중요하다.
성능: TCP는 상태 정보를 유지하기 때문에, 지속적인 연결을 통해 여러 번의 요청을 처리할 수 있다. 이는 대량의 데이터를 빠르게 전송해야 하는 금융 서비스에 유리하다.
통신 제어: TCP는 흐름 제어와 혼잡 제어 기능을 제공하여 네트워크 상태에 따라 데이터 전송 속도를 조절할 수 있다. 이는 금융 서비스가 안정적으로 운영될 수 있도록 도와준다.
실시간 처리: 금융 거래는 실시간 처리가 중요하므로, TCP의 지속적인 연결을 통해 지연을 최소화할 수 있다.

전체적인 구조

소켓 생성: 전송 레이어와 네트워크 레이어의 소켓을 생성
주소 설정 및 바인딩: 서버는 IP 주소와 포트를 설정하고 소켓에 바인딩
연결 수립: 서버는 클라이언트의 연결 요청을 수락하고, 클라이언트는 서버에 연결
데이터 전송: 클라이언트가 데이터를 전송하고, 서버가 이를 수신
응답 처리: 필요 시 서버가 클라이언트에 응답
소켓 닫기: 통신이 끝난 후 소켓을 닫음.

서버가 클라이언트 연결 요청을 대기하고 수락하는 과정에서 3-way handshaking 발생
read()와 write()는 파일 디스크립터와 관련된 일반적인 함수로 소켓에서도 사용 가능

TCP/IP 통신 흐름

Application Layer: 클라이언트와 서버의 애플리케이션이 데이터 생성. 예를 들어, 클라이언트는 메시지를 작성하고 서버에 전송.
Transport Layer: 클라이언트는 TCP 프로토콜을 사용하여 데이터를 세그먼트로 나누고 TCP 헤더를 추가. 이 세그먼트는 TCP 소켓을 통해 네트워크 레이어로 전달.
Network Layer: TCP 세그먼트는 IP 패킷으로 캡슐화되어 네트워크 레이어로 이동. 이때 IP 헤더가 추가. 패킷은 라우터 등을 통해 목적지 서버로 전송됨.
Network Layer(서버): 서버는 수신한 IP 패킷을 네트워크 레이어에서 처리하고, 패킷을 TCP 레이어로 전달.
Transport Layer(서버): 서버의 TCP 레이어는 IP 패킷에서 TCP 세그먼트를 추출하고, TCP 헤더를 검사하여 데이터의 무결성을 확인. 이후, 서버의 애플리케이션 레이어로 데이터를 전달.
Application Layer에서 처리: 서버의 애플리케이션은 수신된 데이터를 처리하고 필요에 따라 응답을 생성.
응답 흐름: 서버가 응답 데이터를 생성하면, 다시 전송 레이어에서 TCP 세그먼트로 나누고, 네트워크 레이어에서 IP 패킷으로 캡슐화하여 클라이언트에게 전송. 클라이언트는 이 과정을 역으로 수행하여 애플리케이션 레이어에서 응답 데이터를 수신함.

서버 측 코드

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

#define PORT 8080 // 포트 번호 정의

int main() {
    int server_fd, new_socket; // 서버 소켓 및 클라이언트 소켓
    struct sockaddr_in address; // 주소 구조체
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0}; // 수신 버퍼

    // 1. 소켓 생성 (전송 레이어)
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 2. 주소 구조체 설정 (네트워크 레이어)
    address.sin_family = AF_INET; // IPv4
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 모든 인터페이스에서 수신
    address.sin_port = htons(PORT); // 포트 설정

    // 3. 바인딩 (전송 레이어)
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    
    // 4. 연결 대기 (전송 레이어)
    listen(server_fd, 3);
    
    // 5. 클라이언트 연결 수락 (전송 레이어) - 3-way handshaking 발생
    new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);
    
    // 6. 데이터 수신 (전송 레이어)
    read(new_socket, buffer, 1024);
    printf("Received: %s\n", buffer); // 수신된 데이터 출력

    // 7. 소켓 닫기 (전송 레이어)
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

클라이언트 측 코드

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

#define PORT 8080 // 포트 번호 정의

int main() {
    int sock = 0; // 클라이언트 소켓
    struct sockaddr_in serv_addr; // 서버 주소 구조체
    char *message = "Hello from client"; // 전송할 메시지
    
    // 1. 소켓 생성 (전송 레이어)
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 2. 서버 주소 설정 (네트워크 레이어)
    serv_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
    serv_addr.sin_port = htons(PORT); // 포트 설정
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr); // 서버 IP 주소 설정
    
    // 3. 서버에 연결 (전송 레이어) - 3-way handshaking 발생
    connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    
    // 4. 데이터 전송 (전송 레이어)
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent\n"); // 전송 완료 메시지 출력

    // 5. 소켓 닫기 (전송 레이어)
    close(sock);
    return 0;
}

위의 코드에서 socket() 함수와 bind(), listen(), accept(), connect() 등의 호출은 네트워크 레이어에서 패킷을 처리하고, TCP/IP 스택을 통해 데이터가 전송되도록 함.
- 클라이언트: send()를 통해 TCP 세그먼트를 생성하고 서버로 전송
- 서버: accept()를 통해 클라이언트의 연결 요청을 수락하고, read()로 클라이언트가 보낸 데이터를 TCP 세그먼트로 받아옴.

※ 주소 구조체를 사용하는 이유

주소 정보 저장: struct sockaddr_in은 IPv4 주소와 포트 번호를 저장하는 구조체. 소켓 프로그래밍에서 서버와 클라이언트 간의 통신을 위해서는 IP 주소와 포트 정보를 알아야 하므로, 이를 구조체로 캡슐화하여 관리.
유연한 데이터 구조: 소켓 프로그래밍에서는 다양한 주소 체계(IPv4, IPv6 등)와 프로토콜(TCP, UDP 등)을 지원해야 함. sockaddr 구조체는 이러한 다양한 주소 구조체를 일반화하여 사용할 수 있게 해주어 코드의 유연성을 높일 수 있음.
함수 인자 전달: 소켓 관련 함수들은 struct sockaddr 형식의 포인터를 인자로 받아 다양한 주소 구조체를 동일한 방식으로 처리할 수 있음.

※ 바인딩: 소켓을 특정 주소(IP 주소 + 포트 번호)에 연결하는 과정

※ 서버 측 주소 바인딩

서버의 역할: 서버는 클라이언트의 요청을 수신하고 처리 → 특정 IP 주소와 포트 번호에 바인딩되어 있어야 클라이언트의 연결 요청을 수신할 수 있음.
네트워크 구조: TCP/IP 프로토콜에서 서버는 고정된 주소와 포트로 클라이언트의 연결을 수신하는 반면, 클라이언트는 연결을 수립할 때 서버의 주소와 포트를 지정
자원 관리: 서버가 바인딩된 주소와 포트를 유지함으로써, 여러 클라이언트가 동시에 연결할 수 있도록 관리할 수 있음. 클라이언트는 각 연결에 대해 새로운 소켓을 생성하여 서버와 통신