Advanced Socket Programming

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1 Advanced Socket Programming
Department of Computer Engineering Kyung Hee University. Choong Seon Hong

2 다중 처리 기술

3 다중 처리 기술 Multitasking Multiplexing Multi-process Multi-thread Polling
Selecting Interrupt

4 Multitasking 여러 작업을 병행하여 처리하는 기법 – Multi-process 또는 Thread를 사용

5 Multi-process 독립적으로 처리해야 할 작업의 수만큼 프로세스를 생성 장점 – 간편한 구현 단점
– 프로세스 증가로 인한 프로그램의 성능 저하 – 프로세스간 데이터 공유가 불편함 – 프로세스간 데이터 공유를 위해 IPC를 사용해야 함 – IPC를 사용할 경우 프로그램의 복잡성 증가

6 Multi-thread 프로세스 내에서 독립적으로 실행되는 작업 단위
프로세스 내에서 여러 스레드를 실행시켰을 경우 외부에서는 하나의 프로세스처럼 취급 스레드는 프로세스의 이미지를 복사하여 사용하지 않고 원래 프로세스의 이미지를 같이 사용 – 생성된 스레드용 스택 영역은 별도로 배정 • 스레드 간에 스택은 공유되지 않음 데이터 공유 – 프로세스 이미지를 공유하므로 전역변수를 같이 사용 • 동기화 문제 발생

7 다중처리 기술의 선택 Multi-process – 다중처리 작업들이 독립적으로 진행되어야 하는 경우 Multi-thread
– 다중처리 작업들이 밀접하게 연관되어 데이터 공유가 많이 필요한 경우

8 Multiplexing Block – 예) read() 시스템 콜
– 한 곳에서 입출력이 block되면 프로그램 전체가 block됨 – Multi-process, Multi-thread의 경우는 무관 Multiplexing – 하나의 Process (or Thread) 내에서 이루어지는 다중 처리 방법 – polling – selecting – interrupt

9 Polling 처리해야 할 작업들을 순차적으로 돌아가면서 처리하는 방법
– 서버가 각 클라이언트로부터의 데이터 수신을 순차적으로 처리 입출력 함수가 block되지 않아야 하므로 소켓을 non-block 모드로 설정 – non-block 모드 • 즉시 처리할 수 있으면 결과를 리턴하고, 처리할 수 없는 경우라도 리턴됨 여러 클라이언트들이 고르게 트래픽을 발생 시키는 경우에 적합

10 Selecting Polling과의 반대 개념으로 동작함 데이터가 도착하면 해당 클라이언트와의 입출력을 처리
유닉스의 select() 함수와 함께 소켓을 비동기(asynchronous) 모드로 변경하여 사용

11 Interrupt 프로세스가 어떤 작업을 처리하는 중에 특정 이벤트가 발생하면 해당 이벤트를 처리하는 방식
유닉스에서 프로세스 사이에 이벤트 전달은 시그널을 사용

12 다중처리의 예 (채팅 프로그램) – 새로운 클라이언트 접속시 해당 클라이언트와의 통신을 담당하는 프로세스를 생성
멀티프로세스형 서버 프로그램 – 새로운 클라이언트 접속시 해당 클라이언트와의 통신을 담당하는 프로세스를 생성 – 프로그램 작성이 편리하지만 수백명 이상의 클라이언트에서는 프로세스 수가 많아지는 문제가 있음 폴링형 서버 프로그램 – 소켓을 넌블록 모드로 설정 – 서버 프로그램은 접속된 클라이언트의 입출력 상태를 확인 셀렉팅형 서버 프로그램 – 소켓은 비동기 모드로 설정 – 비동기형 방식이라고도 함 인터럽트형 서버 프로그램 – 원하는 I/O 이벤트가 발생 하였을 때 서버 프로세스에게 시그널로 알리고, – 서버가 시그널 처리 루틴에서 통신 서비스를 수행

13 소켓의 동작 모드

14 blocking 모드 소켓의 기본 모드 소켓에 대해 시스템 콜을 호출했을 경우 시스템이 동작을 완료할 때
까지 프로세스가 멈추어 있는 모드 블록될 수 있는 소켓 관련 시스템 콜 – listen(), connect(), accept(), recv(), send(), read(), write(), recvfrom(), sendto(), close()

15 non-blocking 모드 시스템이 즉시 처리할 수 있으면 결과를 리턴하고 처리할 수 없는 경우에도 바로 리턴
다중화를 위해서 시스템 콜의 성공 여부를 확인하기 위해 폴링을 주로 사용

16 asynchronous 모드 소켓에서 어떤 I/O 변화가 발생하면 이를 응용 프로그램에게 알려 원하는 동작을 실행시키는 모드
소켓을 비동기 모드로 변환해야 함 – select(), fcntl()을 이용하여 signal-driven I/O 모드로 변환 select()를 이용하는 방법 – I/O 변화가 발생할 수 있는 소켓을 대상으로 select()를 호출해 두면 대상 소켓에서 I/O 변화가 발생하였을 때 select()가 리턴되고 이때 해 당 소켓에 대해 원하는 작업을 수행 signal-driven I/O 방법 – 특정 소켓에서 I/O 변화가 발생했을 때 SIGIO 시그널을 발생시키고 이 시그널을 받은 응용 프로그램에서 필요한 작업을 수행

17 비동기형 채팅 프로그램

18 채팅 서버 프로그램 구조 select()를 이용한 비동기형 채팅 서버 socket() bind() 모든 소켓의 I/O
변화 감지 select() Y : 채팅참가신청 연결용소켓? N : 채팅 메시지 수신 채팅메시지방송 accept() client_s[]에 소켓번호 추가

19 채팅 서버와 클라이언트의 연결 관계 s TCP/IP clisock_list[] 채팅 클라이언트 (tcp_chatcil.c)
채팅서버 tcp_chatserv.c 채팅 참가자 1 select() 채팅 참가자 2 소켓 s clisock_list[] 채팅 참가자 3 채팅 참가자 4 TCP/IP 채팅 참가 신청중

20 select() int select(int maxfdp1, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *tvptr); – Maxfdp1 : I/O 변화를 감지할 총 소켓의 개수 + 1 – readfds : 읽기 I/O 변화를 감지할 소켓 – writefds : 쓰기 I/O 변화를 감지할 소켓 – exceptfds : 예외 상황 I/O 변화를 감지할 소켓 – tvptr : select() 시스템 콜이 I/O 변화를 기다리는 시간 • NULL : I/O 변화가 감지할 때까지 대기 • 0 : I/O 변화를 기다리지 않고 바로 리턴 • > 0 : 지정된 시간만큼 기다린 후 리턴 (도중에 변화가 감지되면 바로 리턴)

21 select() 시스템 콜의 동작 – fd_set 타입 구조체에 I/O 변화를 감지할 소켓(파일)을 1로 세트하며
소켓번호 maxfdp1-1 – fd_set 타입 구조체에 I/O 변화를 감지할 소켓(파일)을 1로 세트하며 select()를 호출해 두면 해당 조건이 만족되는 순간 select()문이 리턴 – readfds • 0, 3번이 세트되어 있으므로 키보드(표준입력 0), 소켓번호 3에서 어떤 데이터가 입력되어 프로그램이 이를 읽을 수 있는 상태가 되면 select()문이 리턴 – writefds • 1, 3번이 세트되어 있으므로 파일기술자(표준출력 1)나 소켓번호 3번이 write를 할 수 있는 상태로 변하면 select()문이 리턴 readfds 1 1 … writefds 1 … exceptfds …

22 fd_set 구조체의 값을 지정하기 위한 매크로
– FD_ZERO(fd_set *fdset); • fdset의 모든 비트를 지움(삭제) – FD_SET(int fd, fd_set *fdset); • fdset 중 소켓 fd에 해당하는 비트를 1로 지정 – FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); • fdset 중 소켓 fd에 해당하는 비트를 0로 지정 – FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); • fdset 중 소켓 fd에 해당하는 비트가 세트되어 있으면 양수값을 리턴 fd_set 지정 fd_set read_fds; FD_ZERO(&read_fds); // 모든 비트를 지움 FD_SET(s, &read_fds); // 초기소켓(클라이언트 참가용)을 선택 for(i=0; i<num_chat, i++) // 참가중인 모든 클라이언트의 소켓을 선택 { FD_SET(client_s[i], &read_fds); }

23 select(maxfdp1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
fd_set에서의 변화 확인 select(maxfdp1, &read_fds, NULL, NULL, NULL); if (FD_ISSET(s, &read_fds)) { // 연결용소켓 s에서 입력 발생 // 채팅 참가 신청 처리 } // 클라이언트 소켓번호 array client[ ] 를 차례로 검색 for (i=0; i<num_chat, i++) { if (FD_ISSET(clisock_list[i], &read_fds)) { // 통신용 소켓 clisock_list[i]에서 채팅 메시지 수신 // 모든 참가자에게 채팅 메시지 방송

24 통신용 소켓 구분 서버는 클라이언트와의 통신에 사용하기 위한 다수의 통신용 소켓 을 개설
– 이 소켓들은 모두 같은 포트번호를 사용 – 모든 통신용 소켓은 새로운 포트번호를 배정받는 것이 아니라 같은 4001번 포트를 사용 한 개의 포트번호를 이용한 각 클라이언트의 구분 – 서버는 각 연결을 구분하기 위해서 클라이언트의 IP주소와 포트번호를 내부적인 키로 사용 채팅 서버 연결용 소켓 통신용 소켓 TCP 포트번호 4001 IP

25 채팅 클라이언트 프로그램 기능 – 키보드 입력 메시지를 서버로 전송 select()
– 서버가 전송한 메시지를 수신하여 화면에 출력 select() – 사용자의 키보드 입력 처리와 수신 메시지 출력을 처리 – 소켓은 읽기에 대한 I/O만 처리하면 되므로 fd_set 구조체 read_fds 만 사용 – 키보드 입력을 위해 파일 디스크립터 0(표준 입력)을 read_fds에 사용

26 채팅 서버/클라이언트 Tcp_chatserv.c, tcp_chatclin.c

27 폴링형 채팅 프로그램

28 fcntl() 소켓을 non-block 모드나 비동기 모드로 변환 – 소켓을 non-block 모드로 설정
– 소켓을 비동기 모드로 설정 – 소켓의 소유자 설정 또는 현재 소유자를 얻음 non-block 모드 설정 – fd : 소켓 디스크립터 – cmd • F_SETFL : 플래그 세트 • F_GETF: : 플래그 읽기 • F_SETOWN : 소켓의 소유자 설정 • F_GETOWN : 소켓의 소유자 얻기 – flag • O_NONBLOCK : non-block 모드로 설정 • O_ASYNC : SIGIO 시그널에 의해 구동되도록 비동기 모드로 설정 #include <unistd.h> #include <fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd, long flag);

29 fcntl() 소켓을 non-block 모드로 설정하는 코드
– 기존의 플래그 값을 유지하기 위하여 F_GETFL 명령으로 얻은 후 이를 O_NONBLOCK와 OR 연산 non-block 모드 설정 int val; if ((val = fcntl(sock_fd, F_GETFL, 0)) < 0) exit(1); val |= O_NONBLOCK; if ((fcntl, F_SETFL, val) < 0)

30 비동기 모드 select() 함수는 블록형 함수 – 인터럽트형 다중화에서는 SIGIO 등의 시그널이 발생할 때 입출력 처리
가 가능 – 이를 위해 소켓을 비동기 모드로 설정해야 함 – 소켓을 처음 생성하면 소유자가 없음 – 시그널 수신을 위해서는 소유자가 필요하므로 소유자 설정이 필요함 int flag; if ((flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0) exit(1); Flag |= O_ASINC; If ((fcntl, F_SETFL, flag) < 0) fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); Fcntl(fd, F_GETOWN, &pid);

31 폴링형 채팅 서버 Non-block 모드 – fcntl()을 이용하여 넌블록 모드로 설정한 후 무한 루프를 돌면서 입출
력을 폴링 – non-block 모드의 소켓에 대한 read(), write()는 바로 리턴 • 원하는 작업의 실행여부를 확인해야 함 • 정상의 경우 0, 에러이면 -1을 반환 • 에러일 경우 errno의 값으로 확인 가능 • non-block 모드의 소켓으로 즉시 리턴된 것이면 EWOULDBLOCK의 errno 값가짐 n = recv(s, buf, length, 0); if (n>0) { // 정상적으로 읽은 데이터 처리 } else if (n==-1 && errno == EWOULDBLOCK) //에러가 아니므로 다음 작업으로 진행 else if (n==-1 && errno != EWOULDBLOCK) // 시스템 콜 자체에서 에러가 발생함 // 에러 처리

32 폴링형 채팅 서버 recv()를 호출했을 때 EWOULDBLOCK 이외의 에러
– 클라이언트와의 연결 종료 또는 클라이언트가 리셋을 보낸 경우이므로 클라이언트를 채팅 목록에서 제거하는 등의 에러처리를 해야 함 accept() – non-block 모드의 소켓에 accept()를 호출한 경우 accept()가 리턴한 소켓은 블록 모드이므로 필요한 경우 명시적으로 넌블록 모드로 변환해야 함 소켓의 모드 확인 – fcntl() 함수를 사용 int is_nonblock(int sockfd) { int val; // 기존의 플래그 값을 얻어온다. val = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); // non-block 모드인지 확인 if (val & O_NONBLOCK) return 0; return -1; }

33 Non-blocking 채팅 서버/클라이언트
TCP_chatserv_nonb.c TCP_chatcli.c