60分でわかるソケットプログラミング

(c) Masahiko KIMOTO, Ph.D. - http://www.earthlight.jp/ Powered by Rabbit 2.1.6
60分でわかるソケットプログラミン
グ
60分でわかるソケットプログラミン
グ
木本雅彦 <kimoto@soum.co.jp>
<kimoto@ohnolab.org>
株式会社創夢第三開発部シニアプロジェクトマネージャ
初版：2010年4月作成、改定版：2015年3月作成

創夢とはどういう会社か
UNIXとTCP/IPネットワークに強い会社
全員がUNIXに詳しい
全員がIPに詳しい
ということは → 全社員がネットワークプログラミングくら
い出来るよね！？
ということで、60分レクチャーです
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この発表での前提条件
C言語でのプログラミングはできる
system call programming
ﬁle I/O basics
TCP/IPの基礎は理解している
OSI階層モデル
IPアドレス、ヘッダの構造など
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IPというプロトコルについて
IP = InternetProtocol
はじめに：ホストにはIPアドレスがついているらしいぜ
(以下略。知らない人は自力で勉強してください)
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TCPとUDPというプロトコル
TCP: Transmission Control Protocol
送達確認(ACK)の利用による信頼性のある通信
輻輳制御による「フェアな」通信量の制御
UDP: User Datagram Protocol
信頼性のない通信
パケット単位でデータを投げるだけ
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port番号
TCP, UDPで用いる通信口の番号
符号なし16bit
通信相手のアプリケーションを同定する
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well-known portとephemeral port
well-known port
代表的なサービスに割り当てられた番号
0 - 1023
IANAが管理している
ephemeral port
使い捨てポート
RFCでのdynamic port: 49152〜65535
Linuxの実装: 32768〜61000
古いBSDの実装: 1024〜4999
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一応IPv6について、ひとこと
次世代インターネットプロトコル
といいつつ、すでに実用化されている
IPアドレスが128bitに拡張されたという一点がもっとも
重要
アドレスの自動設定
マルチキャストの積極的な利用
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UNIXのプロセス間通信
pipe
双方向パイプ
FIFO
共有メモリ(SYSV由来)
セマフォ(SYSV由来)
signal
socket(BSD由来)
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socket
4.2BSDで導入されたTCP/IPの抽象化および実装
通信路の片方の末端を指し示す
ファイルデスクリプタで表される
→ネットワーク通信をファイルI/Oと同様に記述できる
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余談：socketという敗北
4.2BSDでsocketが導入されたのは、従来のUNIXの
ようにファイルシステム上にネットワークI/Oをマッピングで
きなかったため
主に性能上の理由
これが後々まで影響を及ぼす
例：jailやDocker(コンテナ型仮想化)において、ネットワークの制約の
ための枠組みが別途必要になる
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サーバクライアントモデル
ネットワーク通信のモデル化の一つ
vs Peer to Peer
サーバ
サービスを提供する側
要求を待って処理した結果を返す
クライアント
サービスを利用する側
サーバに接続し要求を出し処理結果を受け取る
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サーバクライアントの通信の流れ
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サーバ側の処理の流れ
socket(2)でsocketを作る
bind(2)でsocketに待受アドレスとポートを指定する
listen(2)で待受開始
select(2)で複数ソケットのイベントループを回す
接続があったらaccept(2)で受信して通信用ソケット
を得る
read(2), write(2)で送受信
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socket(2)
ソケットを作成するsystemcall
ソケットを表すファイルデスクリプタを返す
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain: PF_INET, PF_INET6, ....
type: SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, ..
protocol: IPPROTO_IP, ...
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bind(2)
ソケットに名前をつける
名前とは：
IPアドレス
ポート番号
int bind(int s, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
第2引数で名前＝アドレスを指定する
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listen(2)
接続を待ち受ける
int listen(int s, int backlog);
backlogは最大保留数
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accept(2)
TCPの接続を受けつけ、dynamic portを割り当てる
int accept(int s, struct sockaddr * restrict addr,
socklen_t * restrict addrlen);
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イベントドリブン型プログラミング
外部からのイベントを契機に処理を駆動するプログラミ
ングモデル
イベント待ち受け
イベント受信
ディスパッチ
if文の羅列による分岐
ハンドラ/ジャンプテーブル
タイマ処理と合わせて擬似スレッドも実現できる
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select(2)システムコール
fd_set: fdの集合(ビットマップ)
read/write/errでチェックするfdを指定(複数可)
selectで待つ
fd_setにイベントが発生したsocketのfdがセットされる
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典型的なselect loop
sock = accept(....);
for (;;) {
FD_ZERO(&fds);
FD_SET(sock, &fds);
result = select(getdtablesize(),&fds,NULL,NULL, NULL);
if (FD_ISSET(sock,&fds)) {
**** read from socket ******
}
}
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多重待受のselect loop
listenしているポートもselectの対象にする
listen(lsock, ....);
for (;;) {
FD_ZERO(&fds);
FD_SET(lsock, &fds);
if (sock >= 0) {FD_SET(sock, &fds);}
result = select(getdtablesize(),&fds,NULL,NULL, NULL);
if (FD_ISSET(lsock,&fds)) {
sock = accept(lsock, ...);
continue;
}
if (sock >= 0 && FD_ISSET(sock,&fds)) {
**** read from socket ******
}
}
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クライアント側の処理の流れ
socket(2)でsocketを作る
bind(2)でsocketに通信先アドレスとポートを指定す
る
connect(2)で接続する
read(2), write(2)で送受信
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connect(2)
ソケット経由で接続開始する
int connect(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen);
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readn, writen
socketからの読み書きは1度のread/writeで完了す
る保証がない
指定した長さが完了するまでread/writeを繰り返す
必要がある
readn() / writen() 関数を使う
cf. Stevens' UNIX Network Programming
ただしブロックしてしまうので注意が必要
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sample code of writen:
int
writen(int fd,char *ptr,size_t size)
{
int i;
while(size > 0) {
if ((i = write(fd,ptr,size)) < 0) return i;
ptr += i;
size -= i;
}
return size;
}
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UDPとTCPのプログラミングの違い
UDPクライアントはbindしなくていい(してもいい)
UDPクライアントはconnectしなくていい(してもいい)
UDPはsendto(2)/recvfrom(2)で相手を指定して
送受信できる
connectしていればread/writeでもよい
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文字列からIPアドレスを得る古い方法
inet_aton
IPアドレスの文字列を数値に変換する
gethostbyname
ホスト名からIPアドレスを得る
gethostbyname2
AddressFamilyを指定してホスト名からIPアドレスを得る
getservbyname
サービス名からポート番号を得る
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IPアドレスを得る新しい方法
getaddrinfoを使ったクライアントの例
getaddrinfo(peer, buf, &hints, &res0));
s = -1;
for (res = res0; res; res = res->ai_next) {
s = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
if (s < 0) continue;
connect(s, res->ai_addr, res->ai_addrlen);
break;
}
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ソケットが使っているアドレスを得る方法
getsockname
ソケットの自分側のsockaddrを得る
getpeername
ソケットの相手側のsockaddrを得る
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poll, libevent
selectを使った実装は重くなる
fdごとにif文でチェックするため
poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int
timeout);
チェックのコストが低い
libevent
イベントハンドラを記述するだけ
socket以外のイベントも監視できる
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タイマ処理
タイマ割り込みによる定期的な処理
alarm(unsigned int seconds);
setitimer(int which, .....);
selectのtimeoutを用いてタイマ処理を実装すること
もある
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selectとsignal
signalを受信してselectを抜ける場合があるので注
意
タイマ割り込みなど
selectがエラーで終了したら、errnoの値を調べる必要がある
do {
result = select(getdtablesize(),&fds,&wfds,NULL, &tv2);
} while((result < 0) && (errno == EINTR));
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bind: address already in use
bindしようとしたら、他のプロセスが既にportを使って
いる
プロセスが異常終了した後、サーバーを再起動すると
出ることがある
setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, (char *)&sockopt, sizeof(sockopt));
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setsockopt
socketの動作を設定する
SO_REUSEADDR enables local address reuse
SO_REUSEPORT enables duplicate address and port bindings
SO_KEEPALIVE enables keep connections alive
SO_DONTROUTE enables routing bypass for outgoing messages
SO_LINGER linger on close if data present
.....
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non blocking socket
複数のサーバに同時に非同期にconnectしたい場合
サーバとクライアントを兼ねている場合
e.g. bgpd, P2P application
connectでblockしない
f = fcntl(s, F_GETFL);
fcntl(s, F_SETFL, f | O_NONBLOCK);
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自分のIPアドレスを得る方法
ダメな例
gethostname() → gethostbyname()
多くの場合は127.0.0.1になる
実用的な例
UDP socketを作る
遠くのアドレスに向けてconnectする
getsocknameする
ただし経路がない場合はこの方法は使えない
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struct sockaddr
異なるプロトコルのアドレスを格納するための構造体
struct sockaddr {
unsigned char sa_len; /* total length */
sa_family_t sa_family; /* address family */
char sa_data[14]; /* actually longer; address value */
};
OSの違いによるsa_lenの有無に注意が必要
領域を確保するためには、sockaddr_storageを使う
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UNIX domain socket
いわゆる名前付きパイプ
単一ホスト内の通信に使う
PF_UNIX or PF_LOCAL
bindする時にパス名を使う
実際にファイルが作成される
e.g. try, ls -la /tmp/
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socketpair(2)
名前なしパイプ
連結した二つのsocketを返す
パイプと同様に使える
双方向に通信可能
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コネクション切断を識別する
selectでreadableなのにreadすると0byte
→ connectionが切れている
この処理をしないとselect loopが回り続けるので注
意
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inetd: Internet super daemon
クライアントからの待ち受けをinetdが行う
接続があったら、プロセスに引き渡す
socketがプロセスの標準入出力に割り当てられる
標準入出力のI/Oだけでサーバが記述できる
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daemon化するということ
daemon化には決まった手順がある
2度forkした後、途中のprocessを終了させ、initの子供になる
標準入出力を/dev/nullに割り当てる
制御端末を切り離す
通常はroot directoryに移動する
see daemon(3)
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raw socket
IPペイロードを直接入出力できる
ICMP, OSPFなどで使われている
see ping
root権限が必要
よって、pingはsetuidされている
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BPF: Berkley Packet Filter
生のEthernet Frameを送受信できる
/dev/bpf?をopenする
ioctlでインタフェースを割り当てる
readするとBPFヘッダがついてくる
複数のパケットが読める場合もある
writeするとそのままEthernet I/Fに出て行く
read時にﬁlterを記述できる
ﬁlterは「状態マシン」
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Packet Socket : LinuxでL2のパケットを
送受信する方法
PF_PACKET, SOCK_RAWを指定してsocketを作
る
L2のパケットを直接送受信できる
インタフェースはbind()で割り当てる
簡単なフィルタはあるが、主にPPPoE用と思われる
送受信はread()/write()で行う
sock = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, 0);
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パケット構造設計の注意点
独自でバイナリ形式のプロトコルを設計する場合
バージョン番号はつけること
パケットの長さは先頭部分で明示したほうがよい
メモリ領域の確保のため
ヘッダとボディとに分けるとよい
ボディはTLV(Type, Length, Value)でいいかもしれない
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Where should you start from?
inetd
1 session server and client
multi-session server
and more...
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