TCP/IP 통신 라이브러리 정리

Godssi·2024년 11월 14일

C++POSIX TCP/IP Winsock python socket

Communication

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TCP/IP 통신 프로그램을 만들어보기 전에 운영 체제 및 언어에 맞는 통신 라이브러리에 대해서 분석해보려고 한다.

Python

`socket` Library

네트워크 동신을 구현하는데 사용되는 Python 표준 라이브러리이다. TCP, UDP, raw 소켓 등 다양한 소켓 프로그래밍을 쉽게 구현할 수 있다.

기본 개념

Socket(소켓) : 네트워크 통신의 엔드포인트(통신 주체), 소켓은 IP 주소와 Port 번호로 식별
Address Family(주소 계열) : 소켓이 사용될 네트워크 계열
- AF_INET : IPv4 주소 체계
- AF_INET6 : IPv6 주소 체계
- AF_UNIX : 로컬 UNIX 소켓
Socket Type(소켓 유형) : 생성된 소켓의 유형
- SOCK_STREAM : TCP 소켓
- SOCK_DGRAM: UDP 소켓
- SOCK_RAW : RAW 소켓

주요 함수 및 Method

socket.socket(family, type) : 인자로 받은 네트워크 계열(family)와 소켓 유형(type)에 맞는 socket 생성

s = socket.socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

bind((host ,port)) : 소켓을 특정 IP 주소와 Port에 바인딩

server_socket.bind(('0.0.0.0', 8080))

Binding이란?

네트워크 소켓을 특정 IP와 Port 번호에 할당하여 생성된 소켓이 해당 IP주소와 포트 번호를 통해 통신할 수 있게 된다.

Server 소켓의 경우, 클라이언트가 접속할 수 있는 고유한 네트워크 주소를 지정해야한다. 그에 따라 IP 주소 및 포트 번호를 바인딩해야한다.
Client 소켓의 경우, bind()를 명시적으로 호출하지 않으면, 커널은 connect()를 호출할 때 자동으로 사용 가능한 로컬 IP와 Port를 선택하여 소켓에 바인딩

listen(backlog) : TCP Server 소켓을 대기 상태로 변환, backlog 파라미터는 아직 처리되지 않은 Client 연결 요청 대기 수

socket.listen(2)

accpet() : 연결 요청을 수락하고 새로운 소켓을 반환, 반환되는 소켓은 클라이언트와 개별적인 연결을 처리하기 위한 새로운 소켓이다. 해당 소켓은 서버 소켓과는 별개로, 클라이언트와 서버 간의 통신을 전담
- Return
  - Socket Instance : Client와의 통신에 사용되는 소켓으로 Client와 연결이 종료될 때까지 유효하고 해당 소켓을 통해 Client와 데이터 송수신
  - Client Address : 연결된 Client IP 주소와 포트 번호를 포함하는 튜플로, 디버깅이나 로그 기록 용도로 사용

conn, addr = socket.accept()

connect((host, port)) : Client 소켓이 서버에 연결 요청하는 함수

socket.connet(('0,0,0,0', 8080))

send(data) : accept 함수를 통해 생성된 socket을 통해 데이터를 보내는 함수로 TCP 소켓에서 주로 사용

conn.send("Hello, Client!")

recv(buffer_size) : socket을 통해 데이터 수신, TCP 소켓에서 주로 사용

buffer_size = 2048
data = socket.recv(buffer_size)

buffer_size는 프로그래머가 필요에 따라 자유롭게 설정할 수 있다. 네트워크 환경에 맞추어 최적의 buffer_size를 설정하여 효율성을 높일 수 있다.

sendto(data, (host, port)) : 데이터를 특정 주소로 보냄, UDP 소켓에서 주로 사용

socket.sendto(data, (host, port))

recvfrom(buffer_size) : 특정 주소로 부터 데이터 수신, UDP 소캣 주로 사용

data, addr = s. recvfrom(2048)

C++

POSIX (Linux)

표준 C 라이브러리의 소캣 관련 헤더 파일과 함수들 이용

주요 헤더 파일

<sys/types.h> : 다양한 자료형의 정의와 시스템 호출 인터페이스와 관련된 자료형 포함
<sys/socket.h> : 소켓 함수 및 자료형 정의 포함
<netinet/in.h> : 인터넷 주소 구조체 정의와 상수 포함
<arpa/inet.h> : IP 주소 변환 함수 포함
<unistd.h> : POSIX 운영 체제 API 포함, 주로 파일 디스크럽터를 다루는 함수들이 정의되어 있고 소켓 프로그래밍에서도 사용

주요 함수

socket : 소켓을 생성하는 함수
- Proto Type
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
- Parameter
  - domain : Address family, 소켓이 사용할 네트워크 프로토콜 정의.
  - type : Socket Type, 데이터 송수신 방식 정의.
  - protocol : 사용될 특정 프로토콜 지정. 일반적으로 0으로 지정.
- Return
  - 성공 : 소켓 디스크립터.
  - 실패 : -1.
bind : 소켓을 바인딩 하는 함수
- Proto Type
```
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
```
- Parameter
  - sockfd : 바인딩할 소켓 디스크립터.
  - addr : 소켓을 바인딩할 주소 구조체의 포인터. 보통 sockaddr_in 또는 sockaddr_in6을 사용.
  - addrlen : 주소 구조체의 크기.
- Return
  - 성공 : 0
  - 실패 : -1
listen: 서버 소켓을 연결 대기 상태로 설정하는 함수
- Proto Type
```
int listen(int sockfd, int backlog);
```
- Parameter
  - sockfd : bind()를 통해 바인딩된 소켓 디스크립터, 해당 소켓을 연결 요청 대기 상태로 전환
  - backlog : 대기열의 최대 길이, 몇 개의 연결 요청을 대기 상태로 둘 것인지 지정.
- Return
  - 성공 : 0
  - 실패 : -1
accept : Client의 연결 요청을 수락하는 함수로 새로운 소켓과 Client 주소 정보 반환
- Proto Type
```
int listen(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
```
- Parameter
  - sockfd : listen() 상태로 설정된 서버 소켓 디스크립터
  - addr : 연결을 요청한 클라이언트의 주소 정보가 저장될 구조체
  - addrlen : 위 구조체의 크기(입출력용)
- Return
  - 성공 : 새로 생성된 클라이언트 소켓 디스크립터
  - 실패 : -1
connect : Client 소켓이 서버에 연결 요청을 보내는 함수
- Proto Type
```
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
```
- Parameter
  - sockfd : 연결을 시도할 Client 소켓 디스크립터.
  - addr : 서버의 주소 정보를 포함하고 있는 sockaddr 구조체의 포인터
  - addrlen : 주소 구조체의 크기
- Return
  - 성공 : 0
  - 실패 : 1
send : TCP 소켓을 통해 데이터를 송신하는 함수
- Proto Type
```
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
```
- Parameter
  - sockfd : 데이터를 송신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 송신할 데이터를 저장한 버퍼의 포인터.
  - len : 송신할 데이터의 크기.
  - flags : 송신 옵션. 보통 0으로 설정합니다.
- Return
  - 성공 : 송신된 바이트 수
  - 실패 : -1
recv : TCP 소켓을 통해 데이터를 수신하는 함수
- Proto Type
```
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
```
- Parameter
  - sockfd : 데이터를 수신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 수신한 데이터를 저장할 버퍼의 포인터.
  - len : 수신할 데이터의 최대 크기.
  - flags : 수신 옵션. 보통 0으로 설정합니다.
- Return
  - 성공 : 수신된 바이트 수
  - 실패 : -1
sendto : UDP 소켓을 통해 특정 주소로 데이터를 송신하는 함수
- Proto Type
```
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);
```
- Paramter
  - sockfd : 데이터를 송신할 소켓 디스크립터.
  - buf: 송신할 데이터를 저장한 버퍼의 포인터.
  - len: 송신할 데이터의 크기.
  - flags: 송신 옵션. 보통 0으로 설정.
  - to: 데이터를 송신할 대상 주소를 포함한 sockaddr 구조체의 포인터.
  - tolen: 대상 주소 구조체의 크기.
- Return
  - 성공 : 송신된 바이트 수.
  - 실패 : -1.
recvfrom : UDP 소켓을 통해 특정 주소로부터 데이터를 수신하는 함수
- Proto Type
```
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);
```
- Paramter
  - sockfd : 데이터를 수신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 수신한 데이터를 저장할 버퍼의 포인터.
  - len : 수신할 데이터의 최대 크기.
  - flags : 수신 옵션. 보통 0으로 설정합니다.
  - from : 데이터를 송신한 클라이언트의 주소를 저장할 sockaddr 구조체의 포인터.
  - fromlen : 주소 구조체의 크기를 저장하고 반환할 포인터.
- Return
  - 성공 : 수신된 바이트 수
  - 실패 : -1
setsockopt : 소켓 옵션을 설정하는 함수
- Proto Type
```
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
```
- Parameter
  - sockfd : 옵션을 설정할 소켓 디스크립터.
  - level : 옵션의 수준. 보통 SOL_SOCKET을 사용합니다.
  - optname : 설정할 옵션의 이름.
  - optval : 옵션 값을 저장한 버퍼의 포인터.
  - optlen : 옵션 값의 크기.
- Return
  - 성공 : 0
  - 실패 : -1
getsockopt : 소켓 옵션을 가져오는 함수
- Proto Type
```
int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
```
- Paramter
  - sockfd : 옵션을 가져올 소켓 디스크립터.
  - level : 옵션의 수준. 보통 SOL_SOCKET을 사용
  - optname : 가져올 옵션의 이름.
  - optval : 옵션 값을 저장할 버퍼의 포인터.
  - optlen : 옵션 값의 크기를 저장하고 반환할 포인터.
- Return
  - 성공 : 0
  - 실패 : -1
close : 소켓을 닫는 함수
- Proto Type
```
int close(int fd);
```
- Parameter
  - fd : 닫을 소켓 디스크립터.
- Return
  - 성공 : 0
  - 실패 : 1

`Winsock` (Window)

Windows 운영 체제에서 네트워크 프로그래밍을 위해 사용되는 API이다.

기본 개념

Winsock 버전
- Winsock 1.0 : 초기 버전으로, 기본적인 소켓 인터페이스 제공
- Winsock 2.0 : 더 많은 기능과 확장을 제공하며, 여러 프로토콜 및 네트워크 프로그래밍 기능 지원
기본 방식

주요 함수 및 Method

WSAStartup : Winsock 라이브러리 초기화 함수, Winsock 사용하기 전에 반드시 호출
- ProtoType
```
int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
```
- Parameter
  - wVersionRequested : 요구하는 Winsock의 버전. 예를 들어 MAKEWORD(2,2) 는 Winsock 2.2를 의미
  - IpWSAData : Winsock에 대하 정보를 저장하는 포인터
WSACleanup : Winsock 라이브러리 종료 함수
- ProtoType
```
int WSACleanup(void);
```
- Parameter
  없음
socket : 소켓을 생성하는 함수. Address Family, Socket Type, Protocol을 인자로 받음
- Proto Type
```
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
```
- Parameter
  - af : Address Family, AF_INET은 IPv4, AF_INET6는 IPv6를 의미
  - type : Socket Type, SOCK_STREAM은 TCP, SOCK_DGRAM은 UDP 소캣을 의미
  - protocol : 사용될 Protocol, 대부분 0으로 지정하여 기본 Protocol 사용
bind : 소켓을 특정 IP 주소와 Port에 바인딩하는 함수
- Proto Type
```
int bind(SOCKET s, const struct sockaddr * addr, int addrlen);
```
- Parameter
  - s : 바인딩할 소켓 디스크립터
  - addr : 소켓을 바인딩할 주소 구조체의 포인터, sockaddr_in 혹은 sockaddr_in6를 사용
  - addrlen : 주소 구조체의 크기
listen : 서버 소켓을 연결 대기 상태로 설정 함수
- Proto Type
```
int listen(SOCKET s, int backlog);
```
- Parameter
  - s : 연결 대기 상태로 설정할 소켓 디스크립터
  - backlog : 대기열의 최대 길이, 몇 개의 요청을 대기 상태로 둘 것인지 지정
accept : 클라이언트의 연결 요청을 수락하는 함수로 새로운 소켓과 클라이언트 주소 정보를 반환합니다.
- ProtoType
```
SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr *addr, int *addrlen);
```
- Parameter
  - s: 수신 대기 중인 연결 요청을 수락할 소켓 디스크립터.
  - addr: 클라이언트의 주소 정보를 저장할 sockaddr 구조체의 포인터.
  - addrlen: 주소 구조체의 크기를 저장하고 반환할 포인터.
connect : 클라이언트 소켓이 서버에 연결 요청을 보내는 함수입니다.
- Proto Type
```
  int connect(SOCKET s, const struct sockaddr *name, int namelen);
```
- Paramter
  - s : 연결을 시도할 클라이언트 소켓 디스크립터.
  - name : 서버의 주소 정보를 포함하고 있는 sockaddr 구조체의 포인터.
  - namelen : 주소 구조체의 크기.
send : TCP 소켓을 통해 데이터를 송신하는 함수
- Proto Type
```
int send(SOCKET s, const char *buf, int len, int flags);
```
- Paramter
  - s : 데이터를 송신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 송신할 데이터를 저장한 버퍼의 포인터.
  - len : 송신할 데이터의 크기.
  - flags : 송신 옵션. 보통 0으로 설정.
recv : TCP 소켓을 통해 데이터를 수신하는 함수
- Proto Type
```
int recv(SOCKET s, char *buf, int len, int flags);
```
- Parameter
  - s : 데이터를 수신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 수신한 데이터를 저장할 버퍼의 포인터.
  - len : 수신할 데이터의 최대 크기.
  - flags : 수신 옵션. 보통 0으로 설정.
sendto : UDP 소켓을 통해 특정 주소로 데이터를 송신하는 함수
- Proto Type
```
int sendto(SOCKET s, const char *buf, int len, int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);
```
- Parameter
  - s : 데이터를 송신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 송신할 데이터를 저장한 버퍼의 포인터.
  - len : 송신할 데이터의 크기.
  - flags : 송신 옵션. 보통 0으로 설정.
  - to : 데이터를 송신할 대상 주소를 포함한 sockaddr 구조체의 포인터.
  - tolen : 대상 주소 구조체의 크기.
recvto : UDP 소켓을 통해 특정 주소로부터 데이터를 수신하는 함수
- Proto Type
```
int recvfrom(SOCKET s, char *buf, int len, int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen);
```
- Parameter
  - s : 데이터를 수신할 소켓 디스크립터.
  - buf : 수신한 데이터를 저장할 버퍼의 포인터.
  - len : 수신할 데이터의 최대 크기.
  - flags : 수신 옵션. 보통 0으로 설정.
  - from : 데이터를 송신한 클라이언트의 주소를 저장할 sockaddr 구조체의 포인터.
  - fromlen : 주소 구조체의 크기를 저장하고 반환할 포인터.
setsockopt : 소켓 옵션을 설정하는 함수.
- Proto Type
```
int setsockopt(SOCKET s, int level, int optname, const char *optval, int optlen);
```
- Parameter
  - s: 옵션을 설정할 소켓 디스크립터.
  - level: 옵션의 수준. 보통 SOL_SOCKET을 사용.
  - optname: 설정할 옵션의 이름.
  - optval: 옵션 값을 저장한 버퍼의 포인터.
  - optlen: 옵션 값의 크기.
getsockopt : 소켓 옵션을 가져오는 함수
- Proto Type
```
int getsockopt(SOCKET s, int level, int optname, char *optval, int *optlen);
```
- Parameter
  - s : 옵션을 가져올 소켓 디스크립터.
  - level : 옵션의 수준. 보통 SOL_SOCKET을 사용.
  - optname : 가져올 옵션의 이름.
  - optval : 옵션 값을 저장할 버퍼의 포인터.
  - optlen : 옵션 값의 크기를 저장하고 반환할 포인터.
closesocket : 소켓을 닫는 함수.
- Proto Type
```
int closesocket(SOCKET s);
```
- Parameter
  - s : 닫을 소켓 디스크립터.
getaddrinfo : 호스트 이름이나 서비스 이름을 IP 주소로 변환하는 함수.
- Proto Type
```
int getaddrinfo(const char *node, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);
```
- Paramter
  - node : 호스트 이름 또는 IP 주소.
  - service : 서비스 이름 또는 포트 번호.
  - hints : 추가 정보나 옵션을 제공하는 addrinfo 구조체의 포인터.
  - res : 결과를 저장할 addrinfo 구조체의 포인터.
getnameinfo : IP 주소를 호스트 이름과 서비스 이름으로 변환하는 함수.
- Proto Type
```
int getnameinfo(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen, char *host, socklen_t hostlen, char *serv, socklen_t servlen, int flags);
```
- Parameter
  - sa : IP 주소 정보를 포함한 sockaddr 구조체의 포인터.
  - salen : 주소 구조체의 크기.
  - host : 호스트 이름을 저장할 버퍼의 포인터.
  - hostlen : 호스트 이름 버퍼의 크기.
  - serv : 서비스 이름을 저장할 버퍼의 포인터.
  - servlen : 서비스 이름 버퍼의 크기.
  - flags: 추가 옵션.
inet_pton 및 inet_ntop: IP 주소 변환 함수로, 텍스트 형식의 IP 주소를 이진 형식으로 변환하거나 그 반대를 수행.
- Proto Type
  - inet_pton
```
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
```
  - inet_ntop
```
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, size_t size);
```
- Parameter
  - inet_pton
    - af : 주소 패밀리. 예를 들어 AF_INET은 IPv4를 AF_INET6는 IPv6를 의미
    - src : 소스 주소 (텍스트 형식)
    - dst : 목적지 주소 (이진 형식)
  - inet_ntop
    - af : 주소 패밀리. 예를 들어 AF_INET은 IPv4를 AF_INET6는 IPv6를 의미
    - src : 소스 주소 (텍스트 형식)
    - dst : 목적지 주소 (이진 형식)
    - size : 목적지 버퍼의 크기

참고자료

Python socket Library : https://docs.python.org/ko/3/library/socket.html
POSIX socket Library : https://riptutorial.com/posix/example/22276/socket-basics
Winsock2 라이브러리를 이용하여 간단하 TCP/IP 서버와 클라이언트를 구현해보자 | C++ : https://woo-dev.tistory.com/135

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기본 개념

주요 함수 및 Method

Binding이란?

C++

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주요 함수

`Winsock` (Window)

기본 개념

주요 함수 및 Method

참고자료

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