Network Programming 네트워크 프로그래밍, 쉽게 이해하기

소켓, 네트워크 프로그래밍, 서버 프로그래밍이라 하면 고수준의 프로그래밍 실력을 필요로 하는 어려운 작업이라는 생각들을 먼저 떠올린다. 하지만, 가만히 가만히 생각을 해보면 사실 별것도 없다. 함수 몇개와 구조체 몇개를 알면 되고, 약간 복잡한 에러처리 과정을 이해하고 구현하면 된다.

이 글은 Unix/Linux 초보 서버 프로그래머를 위한 입문으로, 가장 중요한 개념 중심으로 설명하고자 한다.

1 How to ? #

1.1 접속받기 #

접속은 listen() -> accept() 로 받는다. accept의 결과로 정수값 하나가 생성되는데 앞으로 수신, 송신 혹은 접속 종료에 이 정수값이 사용된다. 일반적으로 fd라고 표현한다.

1.2 접속하기 #

connect()로 접속한다. connect의 결과는 fd 정수값 하나이다.

1.3 수신 & 송신 #

수신은 read로 송신은 write로 한다. 이 함수들을 감싸고 있는 send 나 recv 함수들도 있지만, 그냥 read, write만 알아도 충분하다.

int read(fd, 데이타가 저장될 곳, 읽을 바이트);
int write(fd, 쓸 데이타, 쓸 바이트);

1.4 타이밍 #

소켓 프로그래밍에서 가장 관심을 두어야 하는 부분은 타이밍이다. 어떤 타이밍에서 어떤 일들을 해 줄것인가가 중요하다.

1. 접속받기 : listen 하고 있는데 누군가가 접속하면 listen_fd 에 신호가 발생한다. => accept 를 호출해서 접속받는다.
2. 접속끊기 : read, write에서 에러가 발생하면 접속을 끊는다. 혹은 아무때나 내가 먼저 끊을수도 있다. => close를 호출한다.
3. 수신 : fd에 읽기 신호가 발생한다. = 읽을 데이타가 있다는 뜻이다. => read를 호출해서 읽는다.
4. 송신 : fd에 쓰기 신호가 발생한다. = 송신을 해도 좋다는 뜻이다. => write를 호출해서 쓴다.
   
   

2 전체적인 흐름 #

2.1 Server #

    Initialize(); // 전반적인 초기화

    Listen(); // 리슨 시작

    while(1){ // 메인루프

         event = CheckEvents(); // 이벤트 검사

         if(event가 새 연결이면) CreateNewConnection();
         if(event가 READ면)      OnRead();
         if(event가 WRITE이면)   OnWrite();
         if(event가 ERROR면)     OnError();
    } 

2.2 Client #

    Initialize(); // 전반적인 초기화

    Connect(); // 연결 시작

    while(1){ // 메인루프

         event = CheckEvents(); // 이벤트 검사

         if(event가 READ면)      OnRead();
         if(event가 WRITE이면)   OnWrite();
         if(event가 ERROR면)     OnError();
    } 

3 이벤트 감지 #

이벤트 감지를 어떻게 할 것인가? 이 방법들이 흔히 말하는 소켓 모델 이다. 여러가지 방법들이 있으나 가장 표준적인 것으로 select와 poll이 있고, 리눅스의 RTSIG, epoll, ?FreeBSD의 kqueue 등이 있다.

3.1 select 방식 #

관심있는 fd들을 set에 등록해두고(FD_SET) select()함수를 호출해서 조사를 하는 방식이다. IS_SET(fd) 를 통해서, 내가 관심있는 fd에 사건이 생겼는지 알아낼 수 있다. 전형적인 IO Multiplexing 기법이다.

3.2 epoll 방식 #

관심있는 fd들을 set에 등록해두고(epoll_ctl(ADD)) epoll_wait()를 호출해서 조사하는 방식이다. 이 결과는 epoll_event [] 형태로 돌려지며, 이 배열은 사건이 생긴 fd들의 집합니다.

4 에러처리 #

4.1 read에서의 에러처리 #

read()함수의 결과값이 0 인 경우는 EOF, 즉 연결이 상대방에 의해 종료된 것이다. 결과값이 -1인 경우는 무언가 에러가 발생한 것인데 errno 라는 상수값을 통해 그 이유를 알아낼 수 있다. 어쨌거나 read 함수 결과값이 -1 인 경우는 연결종료 처리를 해준다.

    int nread = read(...);

    if(nread < 1){
        Error();
    }

4.2 write에서의 에러처리 #

write()함수의 결과값이 1 보다 작은 경우는 마찬가지로 무언가 에러가 발생한것이다. 어쨌거나 연결종료 처리를 해준다. 하지만 write의 에러처리를 특별하게 하는 골치아픈게 한가지 있다. 보내고자 하는 데이터와 실제로 보낸 데이터의 사이즈가 같지 않은 경우다. 이 상태를 WOULDBLOCK 이라고 한다.

WOULDBLOCK은, 운영체제 내부버퍼가 꽉 찬 상태이므로 write를 성공적으로 하지 못했다는 의미인데 통신상태에 에러가 발생한 것은 결코 아니다. 따라서, 에러로 간주하고 연결을 끊어서는 안된다. 보내지 못한 데이터는 다음에 다시 보내야 한다.

    int nwrite = write(..., 보내고싶은 양);

    if(nwrite < 1){
         Error();
    } else if (nwrite < 보내고싶은 양){
         WouldBlock();
    }

WOULDBLOCK이 발생하지 않게 하려면,

1. 운영체제 버퍼를 충분히 크게 잡는다(setsockopt함수를 쓴다). 일시적인 랙 때문에 발생하는 WOULDBLOCK은 상당히 방지된다.
2. 많이 보내지 않는다. 클라이언트가 충분히 수신하고도 남을 정도로 적게 보낸다. 당신의 시스템에서 테스트를 해 볼 필요가 있다. 1초당 전송량을 점차 늘려가면서 WOULDBLOCK이 발생하는 시점을 알아낸 후, 실제 서버프로그래밍시에는 이것보다 적게 보내도록 프로그램을 작성한다.
3. peer 즉, 반대편에서의 수신방식을 개선할 필요가 있다. 서버이건 클라이언트이건 네트워크 프로그램들은 Read 이벤트 즉시 운영체제로부터 데이터를 꺼내줘서 최대한 버퍼를 비워주도록 작성되어야 한다.
   
   

5 소켓프로그래밍 이것만은 명심하자 : 포인트 #

1. 데이터가 들어오면 즉시 읽는다. 읽은 데이터 처리는 다음으로 미루어도 좋다만 READ 이벤트가 발생하면 즉시 읽어줘야 한다.
   • Read 이벤트 핸들러에서, 메세지 분석&응답 처리를 하는 프로그래밍 방식은 집어치워야 한다.
   • 읽는 부분, 데이터 처리 부분은 나눠서 수행한다.
     
2. WOULDBLOCK에 대비한다. 운영체제 소켓버퍼를 적당히 크게잡아주고 적당히 보낸다. 그리고도 발생하는 WOULDBLOCK은 프로그램 자체 버퍼링을 통해 처리하는 것이 정석적인 기법이다.
   
3. read, write는 물론이고, accept, connect등의 함수에 대한 에러처리는 명확히 한다.
   • 서버 프로그램은 에러가 발생해도 계속 돌아야 한다. 하나의 커넥션에 발생한 복구불가능한 에러는 그 커넥션만 끊어내는 것으로 대응한다.