TCP Server/Client を車輪の再発明することで，ネットワーク通信の下の方を勉強してみようという試み．ついでに用語の整理もしてみます．

Stream

stream を使用しない場合のデータのよみ出しは，read_block() というシステムコールによって以下のように行える．

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char buffer[256];
read_block("hello.c", buffer, 32, 256);

上記では，hello.c の先頭から32byte目から256bytes分読み込まれる．つまり，固定の範囲(ブロック)でデータにランダムにアクセスできる．

上記方法は，扱う対象がメモリやハードディスク上であれば同様の処理で十分だが，例えばキーボードからの入力等を読み込む場合には適さない．前者のようなデバイスを block device ．後者のようなデバイスを character device という．

• block device
  • データにブロック単位でアクセス可能なデバイス．データのバッファリングやランダムアクセスが可能．
  • 例: メモリ，ハードディスク
• character device
  • データにbyte単位でアクセス可能なデバイス．データはバッファリングされず，ランダムアクセスもできない．
  • 例: キーボード，マウス

2つのデバイスを同じシステムコールで扱うためには，使用するシステムコールを character device に合わせておけば良い．ここで使われている抽象化が stream である．

• stream
  • データの供給元(ex: ハードディスク)と受け手(ex: プログラム)の間に入り，データの一時保存を行う抽象データ構造
  • 1byte単位でデータを受け取り，FIFO方式で受け手に渡す

stream の良いところは，供給元と受け手の転送量の違いを吸収できる部分．供給元は一度に100byteのデータを送信したいが受け手は一度に10byteしか受け取れない場合， stream は余った90byteを一時的に保存できる．

stream を使用したデータのよみ出しは以下のように行える．open システムコールによって OS によみ出し開始を通知し，同時に stream の識別子である file descriptor を得る．それ以降は file descriptor を使用して read，write システムコールによって読み書きを行い，close によって終了する．

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char buffer0[32];
char buffer1[256];
int fd;

fd = open("hello.c", O_RDONLY, 0x666);
read(fd, buffer0, 32);
read(fd, buffer1, 256);
close(fd);

Socket

TCP/IPによるネットワーク通信も，結局はデータのやりとりなので， stream の概念を流用できるとわかりやすい．しかしそのまま適用はできなかったので，特別な stream として socket を定義した．socket は通常の stream と異なり，作成時には open ではなく socket システムコールを使用する．また，作成時の処理が多少複雑になっている．

TCP socket

TCPによる通信では以下の約束事がある．

• メッセージが届いたかチェックし，届いてなければ再送する
• 到着順序は保障されている
• それが失敗した場合はエラーになることが保障されている

TCP通信用の socket の作成方法は以下の通り．

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socket_df = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

第一引数はアドレスファミリを表している．アドレスファミリとは，socket が使用するアドレス体系のこと．よく使用されるのは以下．

第二引数はソケットタイプを表している．ソケットタイプはソケットの性質を表しており，Linuxで使用可能な代表的なものは以下．

第三引数は使用するプロトコルを表す．0にしておくとデフォルトのものが使用される．基本的には上記二つの組み合わせによって通信方式が決定される．例えば，以下のように．

通信手順

クライアントとサーバがそれぞれ以下の手順でシステムコールを呼び出し，通信する．クライアントサーバモデルは，同期方法が非対称的であり，サーバ側とクライアント側でプログラムが異なる．これは電話の呼び出し方式と似ている．

Client 側は socket 作成後，connect で同期を行う．この時，通信相手のサーバを引数(host名，port番号)で指定する．

Server 側は socket 作成後が多少複雑．socket は作成時点ではアドレスが割り当てられていないので，bindによってアドレスを割りあてる．この操作は伝統的に「ソケットに名前をつける」と呼ばれる．

ここでいうアドレスは，接続に必要なネットワーク層レベルの情報を保持する構造体として定義されている．保持する情報と定義は以下の通り．

• 通信プロトコル
• アドレス
• ポート番号

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struct sockaddr_in {
   sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
   u_int16_t      sin_port;   /* port in network byte order */
   struct in_addr  sin_addr;  /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
   u_int32_t      s_addr;     /* address in network byte order */
};

bind 後，socket を passive socket(接続待ちソケット)，すなわちサーバ側の socket であることをOSに通知する．ここでいう passive socket とは，accept による接続要求を受け付けるのに使用するソケットのこと．accept では passive socket から接続要求を取り出し，それを元に接続済みソケットを作成し，その socket を参照する新しい file descriptor を返す．

なぜわざわざ passive socket を用意しているのかというと，通常サーバに対してクライアントは複数存在し，その要求をさばくためには接続要求をためておく stream が必要であるため．

通信終了時には close 処理を行うが，多少注意が必要．sockt は送信データが正しく受信したことを確認しないと破棄されないので，close しても即座に破棄はされない．一般には，サーバよりも先にクライアントを close すればよい．サーバ側から強制的に close したい時には，close の直前に以下を呼べば良い．

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shutdown(socket, 2);

もしくは bind の前に以下を設定する．

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int value = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));

setsockopt は，与えられた socket のオプションを設定するもので，以下のように定義されている．

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int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
               const void *optval, socklen_t optlen);

よく使われるオプションは SO_REUSEADDR であり，これを設定することで再度同じポート番号で bind できる．

実装

ネット上のいろいろを参考に TCP サーバを C++ で書いた．C++は全然書いたことない初心者なのでひどいコードになっているかもしれない…飽くまで学習用なので，あしからず．

Server，Client の順で起動し，サーバ側から文字列を送信できる．実行結果は以下のような感じ

参考

Lecture Notes
setsockopt - 車輪のx発明 ~B.G's Blog~
Linuxネットワークプログラミング : あきみち : 本 : Amazon.co.jp
socket(2), bind(2), listen(2), accept(2) - kotaroito's notes
LinuxにおけるTCPソケット通信を利用したプロセス間通信(C++) - MyEnigma