TCP ベースのサーバー/クライアントを実装する

さまざまなデータ転送方法に従って、ネットワーク プロトコルに基づくソケットは、一般に TCP ソケットと UDP ソケットに分けられます。

TCP ソケットは接続指向であるため、ストリームベースのソケットとも呼ばれます。TCPとはTransmission Control Protocol(Transmission Control Protocol)の略で、「データの送信処理の制御」を意味します。

1. TCP サーバーのデフォルトの関数呼び出しシーケンス

以下の図は、TCP サーバーのデフォルトの関数呼び出しシーケンスを示しており、ほとんどの TCP サーバーはこの順序で呼び出されます。

socket 関数を呼び出してソケットを作成し、アドレス情報構造体変数を宣言して初期化し、bind 関数を呼び出してソケットにアドレスを割り当てます。この$2\; つの$段階については前に説明しましたが、次のいくつかのプロセスについては以下で説明します。

1.1 接続要求待ち状態に入る（リッスン機能）

bind関数を呼び出してソケットにアドレスを割り当てた後、listen関数を呼び出して接続要求待ち状態に入ります。リッスン関数が呼び出された場合にのみ、クライアントは接続要求を発行できる状態に入ることができます。つまり、クライアントはこの時点でのみ connect 関数を呼び出すことができます (それより前に呼び出すと、エラーが発生します)。

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

// 成功时返回0，失败时返回-1
// sockfd：希望进入等待连接请求状态的套接字文件描述符，传递的描述符套接字参数称为服务器端套接字（监听套接字）
// backlog：连接请求等待队列的长度，若为5，则队列长度为5，表示最多使5个连接请求进入队列

「サーバーが接続要求待ち状態」とは、クライアントが接続を要求すると、接続が受け入れられるまで要求を待機状態にすることを意味します。次の図は、このプロセスを示しています。

上の図から、リッスン関数の最初のパラメーターとして渡されるファイル記述子ソケットの目的がわかります。クライアント接続要求自体もネットワークから受け取る一種のデータであり、それを受け取るにはソケットが必要です。このタスクは、サーバー側ソケットによって実行されます。サーバー側ソケットは、接続要求を受け取るゲートキーパーまたはドアです。

クライアントがサーバーに「接続を開始してもよろしいですか?」と尋ねると、サーバー ソケットは親切に応答します:「こんにちは!もちろんですが、システムはビジー状態です。待合室でお待ちください。準備ができたら、接続が受け入れられます。同時に待合室への接続要求を送信してください。このゲートキーパー (サーバー側ソケット) は、listen 関数を呼び出すことによって作成されます。この関数の 2 番目のパラメーターは、待合室のサイズを決定します。この待合室を接続要求待ちキューと呼び、サーバ側ソケットと接続要求待ちキューの準備が整い、接続要求を受け付けることができる状態を接続要求待ち状態と呼びます。

listen関数の2番目のパラメータの値は、リクエストを頻繁に受信するWebサーバー側は少なくとも15 15にする必要があるなど、サーバー側の特性に関連しています。$15$ . また、接続要求キューのサイズは常に実験結果に基づいています。

1.2 クライアント接続要求を受け付ける（accept機能）

listen 関数を呼び出した後、新しい接続要求があれば、それらは順次受け入れられる必要があります。リクエストを受け付けるということは、データを受け付ける状態に入るということです。ご想像のとおり、この状態に入るために必要な部品はもちろんソケットです。サーバー側のソケットを使用できると思うかもしれませんが、サーバー側のソケットはゲートキーパーです。クライアントとのデータ交換にゲートキーパーが使用されている場合、ゲートを守るのは誰ですか? したがって、別のソケットが必要ですが、自分で作成する必要はありません。accept 関数は自動的にソケットを作成し、要求元のクライアントに接続します。

#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

// 成功时返回创建的套接字文件描述符，失败时返回-1
// sockfd：服务器端套接字的文件描述符
// addr：保存发起连接请求的客户端地址信息的变量地址值，调用函数后向传递来的地址变量参数填充客户端地址信息
// addrlen：第二个参数addr结构体的长度，但是存有长度的变量地址。函数调用完成后，该变量即被填入客户端地址长度

accept 関数は、接続要求キューで保留中のクライアント接続要求を受け入れます。関数呼び出しが成功すると、accept 関数はデータ I/O 用のソケットを生成し、そのファイル記述子を返します。ソケットが自動的に作成され、接続要求を開始するクライアントとの接続を自動的に確立することを強調する必要があります。次の図は、accept 関数呼び出しプロセスを示しています。

上の図は、「待ち行列から1 1を取る」を示しています。サーバー側とクライアント側で別々に作成されたソケットは、データ交換のための接続を確立します$。$

1.3 HelloWorld サーバー側の確認

これまで理解できなかったHelloWorldサーバー側プログラム コード hello_server.cを分析してみましょう。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
	int serv_sock;
	int clnt_sock;

	struct sockaddr_in serv_addr;
	struct sockaddr_in clnt_addr;
	socklen_t clnt_addr_size;

	char message[] = "Hello World!";
	
	if (argc != 2)
	{
    
    
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

	// 服务器端实现过程中先要创建套接字。第28行创建套接字，但此时的套接字尚非真正的服务器端套接字。
	serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	if (serv_sock == -1)
	{
    
    
		error_handling("socket() error");
	}

	// 为了完成套接字地址分配，初始化结构体变量并调用bind函数。
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

	if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
	{
    
    
		error_handling("bind() error");
	}

	// 调用listen函数进入等待连接请求状态。连接请求等待队列的长度设置为5。此时的套接字才是服务器端套接字。
	if (listen(serv_sock, 5) == -1)
	{
    
    
		error_handling("listen() error");
	}
	
	clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
	
	// 调用accept函数从队头取1个连接请求与客户端建立连接，并返回创建的套接字文件描述符。
	// 另外，调用accept函数时若等待队列为空，则accept函数不会返回，直到队列中出现新的客户端连接。
	clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*) &clnt_addr, &clnt_addr_size);
	
	if (clnt_sock == -1)
	{
    
    
		error_handling("accept() error");
	}

	// 调用write函数向客户端传输数据，调用close函数关闭连接。
	write(clnt_sock, message, sizeof(message));

	close(clnt_sock);
	close(serv_sock);
	
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    
    
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

2. TCP クライアントのデフォルトの関数呼び出しシーケンス

次に、サーバー側よりもはるかに単純なクライアント側の実装シーケンスについて説明します。以下の図に示すように、ソケットの作成と接続の要求がクライアントのすべてであるためです。

2.1 接続要求の開始 (接続機能)

サーバー側との違いは、「接続要求」にあります。これは、クライアント ソケットが作成された後にサーバー側に対して開始される接続要求です。サーバーが listen 関数を呼び出すと、接続要求待ちキューが作成され、クライアントは接続を要求できるようになります。では、接続要求を開始するにはどうすればよいでしょうか。これは、connect 関数を呼び出すことによって行われます。

#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);

// 成功时返回0，失败时返回-1
// sockfd：客户端套接字文件描述符
// servaddr：保存目标服务器端地址信息的变量地址值
// addrlen：以字节为单位传递已传递给第二个结构体参数servaddr的地址变量长度

クライアントが connect 関数を呼び出した後、戻る前に次のいずれかの状況が発生します (関数呼び出しが完了します)。

• サーバー側は接続要求を受け取ります
• ネットワーク切断などの異常により接続要求が途切れた場合

いわゆる「接続の受信」は、サーバーが受け入れ関数を呼び出すことを意味するのではなく、サーバーが待機キューに接続要求情報を記録することに注意してください。したがって、connect 関数がリターンした直後は、データ交換は行われません。

Q: クライアント ソケット アドレス情報はどこにありますか?

サーバーを実装するために必要なプロセスの 1 つは、IP とポート番号をソケットに割り当てることです。ただし、クライアントの実装プロセスではソケット アドレスの割り当ては行われず、ソケットが作成された直後に connect 関数が呼び出されます。クライアントソケットは IP とポートを割り当てる必要はありませんか?

もちろん違います！ネットワーク データ交換では、IP とポートを割り当てる必要があります。

では、いつ、どこで、どのようにクライアント ソケットにアドレスが割り当てられるのでしょうか。

• いつ？connect 関数が呼び出されたとき。
• どこ？オペレーティングシステム、より正確にはカーネル内。
• どうやって？IP はコンピュータ (ホスト) の IP を使用し、ポートはランダムです。

クライアントのIPアドレスとポートは、connect関数を呼び出すと自動的に割り当てられ、割り当てのためにマークされたbind関数を呼び出す必要はありません。

2.2 HelloWorld クライアントの確認

以前は理解できなかったHelloWorldクライアント プログラム コード hello_client.cを分析してみましょう。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
	int sock;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char message[30];
	int str_len;
	
	if (argc != 3)
	{
    
    
		printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	// 创建准备连接服务器端的套接字，此时创建的是TCP套接字。
	sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	if (sock == -1)
	{
    
    
		error_handling("socket() error");
	}

	// 结构体变量serv_addr中初始化IP和端口信息。初始化值为目标服务器端套接字的IP和端口信息。
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

	// 调用connect函数向服务器端发送连接请求
	if (connect(sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
	{
    
    
		error_handling("connect() error!");
	}

	// 完成连接后，接收服务器端传输的数据
	str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
	
	if (str_len == -1)
	{
    
    
		error_handling("read() error!");
	}

	printf("Message from server: %s\n", message);

	// 接收数据后调用close函数关闭套接字，结束与服务器端的连接
	close(sock);

	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    
    
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

3. TCPに基づくサーバーとクライアント間の関数呼び出し関係

以上で TCP サーバーとクライアントの実装シーケンスを説明しました. 実際には両者は独立したものではありません. 両者の間の相互作用プロセスは下の図に示されています.

上の図の全体的なプロセスは、次のように編成されます。サーバーがソケットを作成した後、bind 関数と listen 関数を継続的に呼び出して待機状態に入り、クライアントが connect 関数を呼び出して接続要求を開始します。クライアントは、サーバーがリッスン関数を呼び出した後にのみ接続関数を呼び出すことができることに注意してください。同時に、クライアントが connect 関数を呼び出す前に、サーバーがまず accept 関数を呼び出す可能性があることは明らかです。もちろんこのとき、クライアントが connect 関数を呼び出すまでの間、サーバーは accept 関数を呼び出すとブロッキング状態になります。