Socket

Socket은 프로그램이 통신에 사용하는 끝점이다. BSD Socket API를 사용하면 프로그램이 직접 TCP의 재전송이나 패킷 전달을 구현하지 않고 운영체제의 통신 기능을 호출할 수 있다.

Unix 계열 시스템에서 socket()은 이 끝점을 가리키는 File Descriptor를 반환한다. 연결된 Stream 소켓에는 파일 입출력에 사용하는 read()·write()를 쓸 수 있고, 사용이 끝난 Descriptor는 close()로 닫는다. 그렇다고 Socket이 디스크 파일과 똑같은 성질을 갖는 것은 아니다. 통신의 경계, 대기와 오류는 소켓 종류와 연결 상태에 따라 달라진다.

주소 체계와 소켓 종류

소켓을 만들 때는 주소 체계, 전달 방식과 프로토콜을 선택한다. 구체적인 로컬 주소나 상대 주소는 이후 bind()·connect() 등의 호출에서 지정한다.

인자	예와 의미
domain	AF_INET은 IPv4, AF_INET6은 IPv6, AF_UNIX는 로컬 통신
type	SOCK_STREAM은 Stream, SOCK_DGRAM은 Datagram 방식
protocol	선택한 주소 체계와 종류에서 사용할 프로토콜. 0은 기본 프로토콜

IPv4·IPv6에서 SOCK_STREAM과 기본 프로토콜을 선택하면 일반적으로 TCP를 사용한다. 그러나 SOCK_STREAM이라는 이름 자체가 모든 주소 체계에서 TCP를 뜻하지는 않는다. Unix Domain Socket도 Stream 소켓을 제공한다. socket 함수

IP 소켓의 끝점을 읽을 때는 주소와 Port, 전송 프로토콜을 함께 본다. Port를 프로세스 ID와 같은 뜻으로 쓰지는 않는다. 주소와 소켓의 관계는 Port에서 다룬다.

연결을 받는 창구와 연결별 소켓

TCP 서버의 Listening Socket은 연결을 받는 창구다. accept()가 반환한 Connected Socket은 한 연결의 데이터를 주고받는다. 대표 번호로 전화를 받고 실제 상담은 별도 회선에서 이어 가는 상황에 비유할 수 있다.

일반적인 TCP 서버와 클라이언트의 호출 순서는 다음과 같다.

서버	클라이언트
socket()으로 소켓 생성	socket()으로 소켓 생성
bind()로 로컬 주소 지정	필요하면 로컬 주소를 명시적으로 지정
listen()으로 연결을 받을 준비	connect()로 상대 주소에 연결 요청
accept()로 연결 소켓 얻기	연결 소켓으로 데이터 교환
연결 소켓으로 데이터 교환	사용이 끝나면 close()
연결 소켓을 닫고 다음 연결 처리

표의 각 행은 양쪽 호출이 반드시 동시에 실행된다는 뜻이 아니다. 커널이 TCP Handshake를 처리하며, 서버의 accept() 전에 연결이 진행되거나 완료될 수 있다. 대기할 연결이 없다면 Blocking 소켓의 accept()는 기다리고, Nonblocking 소켓은 오류 코드로 현재 상태를 알린다.

Listening Socket과 Connected Socket을 구분하면 서버가 다음 연결을 받으면서 기존 연결을 유지할 수 있는 이유도 설명된다. 다만 accept() 후 현재 클라이언트를 끝까지 처리하는 반복문은 다른 연결의 응용 처리를 미룰 수 있다. 여러 연결을 처리하는 방식은 입출력 다중화나 Thread 설계와 이어진다.

호출이 실제로 이어지는 실행 예제는 TCP에서 확인할 수 있다. 같은 프로세스 안에 서버와 클라이언트를 만들어 connect()와 accept(), 부분 송수신과 Half-close를 살펴본다. Datagram 소켓은 이와 달리 listen()·accept() 없이 주소를 지정해 데이터를 주고받으며, 해당 흐름은 UDP에 있다.

주소 구조체를 채울 때

IPv4 주소는 sockaddr_in에 담는다. sin_family에는 AF_INET, sin_port에는 16 Bit Port, sin_addr에는 32 Bit IPv4 주소를 지정한다. 주소 구조체의 전체 크기와 부가 필드는 운영체제의 정의를 따라야 하므로 각 필드의 Offset을 임의로 가정하지 않는다.

다음은 IPv4의 로컬 주소를 정하는 부분이다. fd는 앞서 생성한 IPv4 TCP 소켓이다.

struct sockaddr_in address = {0};
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
address.sin_port = htons(9000);
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) == -1) {
    perror("bind");
    /* 호출자에게 실패를 전달하고 열린 소켓을 정리한다. */
}

INADDR_ANY는 로컬 IPv4 인터페이스 전반에서 받을 주소를 지정한다. 같은 호스트에서만 실행할 실습이라면 Loopback 주소 127.0.0.1로 범위를 좁힐 수 있다. 이 주소 지정이 방화벽을 열거나 외부 접근을 자동으로 허용하지는 않는다.

Port와 주소에는 Network Byte Order를 사용한다. htons(9000)을 빠뜨렸을 때 값이 어떻게 달라지는지는 데이터 표현의 실행 예제로 확인한다. 호스트의 숫자와 이미 네트워크 표현으로 변환된 주소를 구분해야 한다.

재시작과 주소 재사용

SO_REUSEADDR는 소켓의 로컬 주소 재사용 규칙에 영향을 주는 옵션이다. 재시작 때 이전 연결 상태 때문에 bind()가 제한되는 일부 상황에 도움이 되지만, 같은 Port를 언제나 여러 서버가 동시에 사용할 수 있게 하는 옵션은 아니다. 운영체제의 조건과 기존 Listening Socket의 상태를 확인해야 한다. Linux 소켓 옵션

옵션을 설정할 때는 bind() 전에 setsockopt()를 호출하고 반환값을 확인한다. 사용자에게 받은 Port를 atoi()로 변환한 뒤 작은 정수형으로 잘라 넣으면 잘못된 입력이나 범위 초과를 놓칠 수 있다. 숫자 변환의 성공 여부와 허용할 Port 범위를 먼저 검사한다.

읽기·쓰기와 오류 처리

연결된 Stream 소켓의 read()·write()는 한 번의 호출로 요청한 길이를 전부 처리하지 않을 수 있다. 반환한 Byte 수만큼 위치를 옮겨 반복해야 하며, 실패한 음수 반환값을 길이로 사용해서는 안 된다. 읽기의 0은 일반적으로 상대가 송신을 끝낸 EOF를 뜻한다.

신호로 호출이 중단된 EINTR, Nonblocking 소켓에서 지금 처리할 수 없다는 EAGAIN·EWOULDBLOCK, 연결이 끊어진 오류를 구분한다. 계속 0 Byte만 처리하면서 반복하지 않도록 진행 여부도 확인해야 한다. 끊어진 Stream에 쓰면 SIGPIPE가 발생할 수 있어 서버의 신호·오류 처리 정책도 필요하다.

File Descriptor를 받는다는 공통점 때문에 소켓을 입출력 감시 대상에 넣을 수 있다. 다만 select()·poll()·epoll()이 모든 종류의 파일을 똑같이 지원하는 것은 아니다. 예를 들어 Linux의 epoll에는 등록할 수 없는 일반 파일이 있다. epoll 등록 오류

클라이언트가 이름으로 접속할 때는 DNS 문서의 getaddrinfo() 예제처럼 주소 후보를 구한다. 각 후보로 소켓을 만들고 연결을 시도하되 실패한 소켓은 닫는다. 이름 해석 실패와 연결 실패, 연결 뒤의 입출력 실패를 나누어 보면 문제를 확인할 위치도 달라진다.

bind()가 보인다는 이유만으로 코드를 서버라고 단정하지는 않는다. 클라이언트도 출발지 주소를 선택하려고 bind()를 쓸 수 있고, UDP 소켓은 서버 역할이어도 listen()을 사용하지 않는다. 서버와 클라이언트의 역할은 사용하는 프로토콜과 전체 호출 흐름으로 판단한다.