아뢰옵기도 송구한 TCP의 SYN이시여. 삼가 ACK 돌려드립니다! WinSock2를 이용한 TCP 통신
Winsock2는 Windows에서 사용되는 소켓 라이브러리 헤더입니다.
소켓(Socket)은 네트워크 입/출력을 통신 창구 역할을 하는 응용 프로토콜 인터페이스를 말합니다.
소켓은 TCP/IP와 같은 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송합니다.
소켓은 연결형 서비스와 비연결형 서비스로 나뉘며, TCP는 연결형 서비스이고 UDP는 비연결형 서비스입니다.
TCP와 UDP
TCP는 연결형 서비스로, 상대방이 데이터를 제대로 전송받았는지 확인합니다.
따라서 신뢰성이 보장되지만, UDP에 비해 속도가 느리다는 단점이 있습니다.
반면, UDP는 비연결형 서비스로, 신뢰성을 포기하고 빠른 속도가 필요할 때 사용합니다.
UDP는 상대방이 데이터를 전송받았는지 확인하지 않고 일방적으로 데이터를 전송합니다.
예를 들어, 웹 서버와의 통신을 위한 프로토콜인 HTTP(HTTP/1과 HTTP/2)는 TCP를 사용합니다.
왜냐하면 사용자에게 보이는 정보가 잘못되면 여러 문제를 일으킬 수 있기 때문입니다.
하지만, 최근에 나온 HTTP/3은 TCP 대신 UDP를 선택했습니다.
TCP는 정보 검증을 위한 여러 데이터가 포함되어 전송을 하는데, 이 때문에 헤더의 크기가 커지게 됩니다.
이는 전송 속도 하락으로 이어집니다.
또한, TCP의 3-way handshake 역시 전송 속도 하락의 원인 중 하나입니다.
이 때문에 HTTP/3는 신뢰성을 일부 포기하고 속도를 위해 UDP를 선택하게 되었습니다.
소켓 프로그래밍
TCP 서버
WinSock2 헤더를 사용하기 위해서는 ws2_32.lib 라이브러리가 필요합니다.
Visual Studio에서는 아래와 같이 #pragma를 이용해 라이브러리를 링크할 수 있습니다.
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
이제 필요한 헤더를 불러올 차례입니다.
#include <Winsock2.h>
#include <Ws2tcpip.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
Ws2tcpip.h는 문자열(Dotted-Decimal Notation) 형태의 IPv4 주소를 32 비트 숫자(네트워크 바이트 정렬)로 반환하는 inet_pton 함수 사용을 위해 필요합니다.
cstring은 strlen 함수 사용을 위해 필요합니다.
main 함수를 호출하면 가장 먼저 WinSock 라이브러리 DLL를 불러와 초기화해야 합니다.
int main() {
int err;
WSADATA wsaData;
if ((err = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)) != 0) { // 지정한 버전의 Winsock DLL을 불러와 초기화
std::cerr << "WSAStartup failed with error: " << err << '\n';
WSACleanup(); // Winsock DLL 사용 종료
return 1;
}
// ...
return 0;
}
MAKEWORD는 WORD 타입의 값을 만드는 매크로 함수입니다.
WORD는 unsigned short 타입과 동일합니다.
MAKEWORD(2, 2)는 0x0202를 의미하며 WinSock DLL 2.2 버전을 불러오라는 의미입니다.
std::cout << "socket()\n";
SOCKET servSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 서버 소켓 생성
if (servSock == INVALID_SOCKET) { // 소켓 생성 실패
std::cerr << "socket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n'; // WSAGetLastError: 오류 코드 출력
WSACleanup();
return 1;
}
socket은 소켓을 생성하는 함수입니다.
PF_INET는 Protocol Familty InterNET의 줄임말로, 인터넷 프로토콜 IPv4를 이용하는 것을 의미합니다.
SOCK_STREAM은 스트림(Stream) 방식의 소켓을 의미합니다. PF_INET에서는 TCP를 의미합니다.
마지막의 0은 프로토콜입니다. 값이 0이면 호출자가 프로토콜을 지정하지 않고 서비스 공급자가 자동으로 프로토콜을 선택합니다. PF_INET에서는 IPPROTO_TCP가 자동으로 선택됩니다.
SOCKADDR_IN servAddr; // 서버 주소 구조체
servAddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servAddr.sin_addr.s_addr); // loopback ip
servAddr.sin_port = htons(3000); // port
std::cout << "bind(servSock, servAddr)\n";
if (bind(servSock, (SOCKADDR*) &servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR) { // 소켓에 주소 할당
std::cerr << "bind function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(servSock) == SOCKET_ERROR) { // 소켓 사용 종료
std::cerr << "servSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
소켓에 서버 주소를 bind합니다.
bind는 IP주소와 소켓을 매핑(Mapping)시키는 것을 의미합니다.
inet_pton는 문자열 주소를 32비트 숫자로 반환하는 함수입니다.
127.0.0.1는 Loopback IP(루프백 아이피)로 자기 자신을 가리키는 IP입니다.
htons는 host to network short라는 의미로, 호스트 바이트 정렬(리틀엔디안)에서 네트워크 바이트 정렬(빅엔디안)으로 변환하는 함수입니다. 마지막의 short는 데이터가 short(16비트 정수) 타입임을 의미합니다.
std::cout << "listen(servSock)\n";
if (listen(servSock, SOMAXCONN) == SOCKET_ERROR) { // SOMAXCONN: 최대 연결 대기 중인 소켓 수
std::cerr << "listen function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(servSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "servSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
listen 함수를 이용해 클라이언트가 접속을 시도할 때까지 대기합니다.
SOMAXCONN은 backlog로, 최대 연결 대기가능한 소켓 수를 의미합니다.
SOCKADDR_IN clntAddr; // 클라이언트 주소 구조체
int clntAddrSz = sizeof(clntAddr);
std::cout << "accept(servSock, clntAddr)\n";
SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*) &clntAddr, &clntAddrSz); // 클라이언트 연결 허용
if (clntSock == INVALID_SOCKET) { // 클라이언트 연결 실패
std::cerr << "accept function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(clntSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "clntSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
if (closesocket(servSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "servSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
accept 함수는 연결된 클라이언트의 소켓과 주소를 반환합니다.
clntSock이 클라이언트 소켓으로, 해당 소켓 통해 send를 하면 클라이언트로 데이터가 전송됩니다.
clntAddr에는 클라이언트 IP 주소에 대한 정보가 들어있습니다.
// 클라이언트가 보낸 메세지를 수신
while (true) {
int bytes;
char buf[100];
std::cout << "recv(clntSock, buf)\n";
std::cout << "recv: ";
do {
bytes = recv(clntSock, buf, 99, 0); // 클라이언트 메세지 수신
if (bytes == 99) { // buf 크기 이상의 메세지 수신
buf[bytes] = '\0'; // 마지막 문자를 \0으로
}
if (bytes > 0) {
std::cout << buf; // cout 메세지 출력
if (buf[bytes - 1] == '\0') { // 메세지 종료
break;
}
} else if (bytes == 0) { // 연결 종료
std::cout << "Connection closed\n";
break;
} else { // 연결 오류
std::cerr << "recv function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(clntSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "clntSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
if (closesocket(servSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "servSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
} while (bytes > 0);
std::cout << "\nsend: ";
std::cin.getline(buf, 99); // cin 입력을 buf에 저장
std::cout << "send(clntSock, buf)\n";
if ((bytes = send(clntSock, buf, strlen(buf) + 1, 0)) == SOCKET_ERROR) { // 클라이언트에 buf 전송
std::cerr << "send function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(clntSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "clntSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
if (closesocket(servSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "servSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
}
recv는 클라이언트가 전송한 데이터를 받는 함수입니다.
반환값은 수신한 데이터의 바이트 수 입니다.
만약 -1을 반환하면 소켓 통신에 오류가 발생한 것이고, 0을 반환하면 상대방이 FIN을 보내 연결을 종료한 것입니다.
현재 buf에 받아둘 수 있는 최대 데이터 크기는 99이기 때문에 100바이트 이상의 데이터가 들어오면 뒷 부분이 잘리게 됩니다.
따라서 do-while 문을 이용해 100바이트 이상의 데이터가 들어와도 남은 데이터를 계속 받을 수 있게 구현했습니다.
send는 클라이언트에 데이터를 전송하는 함수입니다.
buf에 99바이트까지만 입력되기에, 한 번에 99바이트까지만 전송할 수 있습니다.
if (closesocket(clntSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "clntSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
if (closesocket(servSock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "servSock closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
소켓 사용이 끝나면 closesocket으로 소켓을 닫아주고, WSACleanup으로 WinSock 라이브러리 사용을 종료합니다.
TCP 클라이언트
클라이언트는 서버와의 차이점 위주로 설명하겠습니다.
std::cout << "socket()\n";
SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 소켓 생성
if (sock == INVALID_SOCKET) { // 소켓 생성 실패
std::cerr << "socket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n'; // WSAGetLastError: 오류 코드 출력
WSACleanup();
return 1;
}
소켓을 만드는 과정은 서버와 동일합니다.
SOCKADDR_IN servAddr; // 서버 주소 구조체
servAddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servAddr.sin_addr.s_addr); // loopback ip
servAddr.sin_port = htons(3000); // port
std::cout << "connect(servSock, servAddr)\n";
if (connect(sock, (SOCKADDR*) &servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR) { // 서버에 연결
std::cerr << "connect function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(sock) == SOCKET_ERROR) { // 소켓 사용 종료
std::cerr << "closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
클라이언트는 서버의 bind와 listen 과정이 없고, connect가 필요합니다.
connect는 bind되어 listen중인 서버의 소켓에 연결을 요청하는 함수입니다.
서버가 클라이언트의 connect 요청을 받으면, 서버의 accept 함수가 클라이언트 소켓을 반환합니다.
// 클라이언트가 먼저 메세지를 전송
while (true) {
int bytes;
char buf[100];
std::cout << "send: ";
std::cin.getline(buf, 99); // cin 입력을 buf에 저장
std::cout << "send(sock, buf)\n";
if ((bytes = send(sock, buf, strlen(buf) + 1, 0)) == SOCKET_ERROR) { // 서버에 buf 전송
std::cerr << "send function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(sock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
std::cout << "recv(sock, buf)\n";
std::cout << "recv: ";
do {
bytes = recv(sock, buf, 99, 0); // 서버 메세지 수신
if (bytes == 99) { // buf 크기 이상의 메세지 수신
buf[bytes] = '\0'; // 마지막 문자를 \0으로
}
if (bytes > 0) {
std::cout << buf; // cout 메세지 출력
if (buf[bytes - 1] == '\0') { // 메세지 종료
break;
}
} else if (bytes == 0) { // 연결 종료
std::cout << "Connection closed\n";
break;
} else { // 연결 오류
std::cerr << "recv function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
if (closesocket(sock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
return 1;
}
} while (bytes > 0);
std::cout << '\n';
}
while은 서버와 동일하지만, send와 recv 순서가 바뀌었습니다.
if (closesocket(sock) == SOCKET_ERROR) {
std::cerr << "closesocket function failed with error: " << WSAGetLastError() << '\n';
}
WSACleanup();
사용이 끝나면 소켓을 닫아주고 WinSock 라이브러리를 정리합니다.
소켓을 2개 닫은 서버와 달리, 클라이언트에서는 소켓이 하나만 만들어지므로 closesocket을 한 번 호출합니다.
참고: 윈도우 소켓? 그게 뭔데? 먹는거야? - 인하대학교 인트아이