01_네트워크 프로그래밍과 소켓의 이해

도입

1. 네트워크

네트워크는 왜 필요하며, 어떻게 데이터를 목적지까지 전달하는가?

① 통신의 물리적 한계와 네트워크의 탄생
- 두 컴퓨터를 선으로 직접 연결하여 통신할 때, 거리가 멀어지면 신호에 노이즈가 끼고 약해진다.
- 단순히 송신 전압을 높이는 것은 에너지 소모가 커 비효율적이므로, 중간에 데이터를 받아서 다음으로 넘겨주는 중계 방식을 택하게 되었고, 이것이 확장되어 네트워크 망(Network)이 되었다.
② 데이터의 신호 변환과 전송
- 컴퓨터의 데이터는 네트워크 하드웨어(버퍼)를 거쳐 케이블이나 무선 매체를 탈 수 있는 물리적인 신호(Signal)로 변환되어 전송된다.
- 이때 신호는 매체와 방식에 따라 다양한 형태를 가진다.
③ 최적의 경로 탐색 (라우팅과 IP)
- 복잡하게 얽힌 네트워크 망에서 목적지까지 도달하려면 가장 효율적인 길(Shortest Path)을 찾아야 한다.
- 이러한 길 찾기 기능을 수행하는 장비가 라우터(Router)이며, 목적지의 위치를 정확히 식별하고 찾아갈 수 있도록 지도/주소 역할을 하는 것이 IP이다.

2. 데이터 전송 흐름

네트워크 통신은 크게 다음 3가지 영역을 거쳐 전달된다.
1. 애플리케이션 영역 (User Space): 통신을 요청하고 데이터를 생성/수신하는 프로그램
2. 운영체제 커널 영역 (Kernel Space): 데이터를 통신 규약(TCP/IP)에 맞게 쪼개고 포장하는 OS
3. 하드웨어 영역 (Hardware): 실제 전기적 신호로 데이터를 내보내는 장치

(1) 수신 측: 데이터를 받는 과정

L1 Hardware
- 전기 신호를 받아 데이터(0과 1)로 읽어 들임
L2 Device Driver
- 들어온 데이터가 1,500byte 단위의 조각들임을 확인하고 커널로 올림
L3/L4 OS Kernel
- L3(IP)에서 내 컴퓨터로 온 게 맞는지 확인하고,
- L4(TCP)에서 쪼개져서 도착한 1,500byte 조각들의 순서를 맞추어 원래의 거대한 데이터로 다시 조립(Reassembly)함
L5 Application
- 다음 받는 컴퓨터의 애플리케이션은 조립이 완료된 데이터를 recv() 함수를 호출하여 통째로 가져다 쓴다.

(2) 송신 측의 흐름 (Application → OS → Hardware)

L5 Application (애플리케이션 계층)
- 사용자가 쓰는 프로그램(웹 브라우저, 카카오톡 등)
- 특징: 전송할 데이터의 크기에 한계가 없다. (예: 10GB짜리 영화 파일)
- 동작: 앱은 네트워크의 복잡한 원리를 알 필요 없이, 그저 OS에게 데이터를 주며 send() 함수만 호출하면 된다.
L4/L3 OS Kernel (운영체제 커널 - 전송/네트워크 계층)
- L4 (TCP/UDP): 앱이 던져준 거대한 데이터를 네트워크가 소화할 수 있는 크기로 쪼갠다. (세그먼트화) 목적지 앱을 찾기 위한 Port 번호를 붙인다.
- L3 (IP): 쪼개진 데이터에 목적지 컴퓨터를 찾기 위한 IP 주소를 붙인다.
L2 Device Driver (데이터링크 계층)
- 네트워크 카드(NIC)를 제어하는 소프트웨어 드라이버
- 특징: CSMA/CD 이더넷 프로토콜 환경에서는 1회에 최대 1,500byte(MTU)까지만 전송 가능하다. (OS가 이 크기에 맞춰 데이터를 미리 쪼개어 내려보냄)
- MAC 주소를 붙여 물리적 전송을 준비한다.
L1 Hardware (물리 계층)
- 랜카드, 랜선 등 물리적 장비
- L2에서 포장된 데이터를 0과 1의 전기 신호로 변환하여 랜선을 통해 방출한다.

3. 소켓 통신을 통한 두 호스트 간의 데이터 전송 파이프라인

소켓 설명은 교재에 없다.
- 시험은 책에 있는 내용 + 실습 소스 범위 안에서만

(1) 송신 측 데이터 흐름 (Encapsulation)

APP A (send(A_1))
- Host A의 애플리케이션이 전송할 데이터를 만들고 send() 시스템 콜을 호출한다.
소켓 Lib (Socket Library)
- 애플리케이션의 요청을 운영체제(OS)가 이해할 수 있도록 연결해 주는 API(인터페이스) 역할을 한다.
소켓 A_1 (송신 버퍼)
- send()는 데이터를 즉시 내보내는 것이 아니다.
- OS 메모리 공간에 할당된 소켓 A_1의 송신 버퍼(Send Buffer)에 데이터를 복사해 두고 애플리케이션은 자기 할 일을 하러 돌아간다.
전송 Protocol (TCP/UDP - L4)
- OS 커널은 송신 버퍼에 쌓인 데이터를 꺼내어 적절한 크기로 자르고,
- 포트(Port) 번호를 붙여 세그먼트로 만든다.
- (TCP의 경우 신뢰성 제어 추가)
Network Protocol (IP - L3)
- 출발지와 목적지의 IP 주소를 붙여 패킷으로 만든다. (길 찾기 준비)
Data 전송 Protocol (L2 데이터링크 & L1 물리)
- MAC 주소를 붙이고(프레임), 최종적으로 랜카드(NIC)를 통해 0과 1의 전기/광 신호로 변환하여 케이블로 내보낸다.

(2) 연결선 (네트워크 망)

인터넷 망, 라우터, 광케이블 등 물리적 매체를 통해 신호가 Host B를 향해 날아간다.

(3) 수신 측 데이터 흐름 (Decapsulation)

Data 전송 Protocol (L1/L2)
- Host B의 랜카드가 전기 신호를 수신하여 데이터로 변환하고,
- 자신의 MAC 주소가 맞는지 확인한다.
Network Protocol (IP - L3)
- IP 주소를 확인하여 자신에게 온 데이터가 맞는지 검사한다.
전송 Protocol (TCP/UDP - L4)
- 포트(Port) 번호를 확인하여 어떤 소켓(애플리케이션)으로 보낼지 결정하고,
- 데이터 조각들을 원래 순서대로 조립한다.
소켓 B_1 (수신 버퍼)
- 조립된 데이터는 소켓 B_1의 수신 버퍼(Receive Buffer)에 차곡차곡 쌓인다.
- (아직 앱이 가져가지 않은 상태)
소켓 Lib
- 수신 버퍼에 데이터가 도착했음을 애플리케이션에 알린다.
APP B (recv(B_1))
- Host B의 애플리케이션이 recv() 시스템 콜을 호출하여,
- 수신 버퍼에 쌓여 있는 데이터를 자신의 메모리 영역으로 가져가서 사용한다.

1. 네트워크 프로그래밍과 소켓의 기초 (전화기 비유)

네트워크 프로그래밍
- 운영체제가 제공하는 소켓(Socket)이라는 소프트웨어적 장치를 통해
- 물리적, 소프트웨어적 세부 내용을 신경 쓰지 않고
- 두 컴퓨터 간에 데이터를 송수신하는 프로그램을 만드는 것
소켓에 대한 간단한 이해
- 네트워크(인터넷)의 연결 도구
- 운영체제에 의해 제공이 되는 소프트웨어적인 장치
- 소켓은 프로그래머에게 데이터 송수신에 대한 물리적, 소프트웨어적 세세한 내용을 신경 쓰지 않게 한다.
- 운영체제마다 소켓을 구현하는 방식이 다르기 때문에 자세하게 설명하는 교재가 없다.

1.1. 서버

서버(수신자) 소켓의 생성 과정
- TCP 소켓은 전화를 받는 과정에 비유할 수 있다.
- 1단계. socket(): 소켓 생성 (전화기 장만)
- 2단계. bind(): IP와 Port 번호 할당 (전화번호 부여)
- 3단계. listen(): 연결 요청 대기 상태로 변경 (전화선을 연결하여 벨이 울릴 수 있는 상태)
- 4단계. accept(): 클라이언트의 연결 요청 수락 (수화기를 들어 전화를 받음)
- 서버는 클라이언트보다 먼저 실행되어 대기해야 하며, 이렇게 생성된 소켓을 서버 소켓 또는 리스닝 소켓이라고 부른다.

#include <sys/socket.h>
 
// 1. 소켓의 생성
int socket(int domain, int type, int protocol);
	// 성공 시 파일 디스크립터, 실패 시 -1 반환
 
// 2. 주소의 할당
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
	// 성공 시 0, 실패 시 -1 반환
 
// 3. 연결요청 가능한 상태로 변경
int listen(int sockfd, int backlog);
	// 성공 시 0, 실패 시 -1 반환
 
// 4. 연결요청의 수락
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
	// 성공 시 파일 디스크립터, 실패 시 -1 반환

cf. Application 레벨의 수신 확인(recv)

소켓 통신 실행 후, 데이터가 실제로 도착했을지 의문이 들어야 한다.

초보자는 send() 함수가 에러 없이 반환(Return)되면 상대방이 데이터를 받았다고 착각한다.
하지만 send()의 성공은 단지 내 컴퓨터의 OS 송신 버퍼에 데이터를 무사히 넘겨주었다는 뜻일 뿐, 상대방에게 도착했다는 뜻이 아니다.
(랜선이 끊어져 있어도 버퍼에 여유가 있다면 send()는 성공할 수 있다.)

그렇다면 데이터는 어떤 식으로 전송되고, 도착을 보장하는가?

1단계: OS 레벨의 보장 (TCP)
- 내 OS(TCP)가 상대방 OS(TCP)로 데이터를 보내면,
- 상대방 OS는 잘 받았다는 기계적인 응답(TCP ACK)을 내 OS로 몰래 보내준다.
- 이 과정 덕분에 데이터가 유실되면 OS가 알아서 재전송을 해준다.
2단계: 애플리케이션 레벨의 보장 (의문의 핵심)
- 상대방 OS 수신 버퍼에 데이터가 무사히 도착했다고 끝이 아니다.
- 상대방 애플리케이션(APP)이 멈춰버렸거나 에러가 나서 수신 버퍼에 있는 데이터를 읽어가지 않았다면?
- 즉, 데이터 전달의 진짜 최종 성공은 상대방 프로그램이 데이터를 읽고 정상적으로 처리했을 때 완성된다.

recv(): 완벽한 통신 완료의 마침표

따라서 내가 보낸 데이터가 진짜로 상대방 프로그램에서 잘 처리되었는지 확인하려면, 상대방 프로그램이 처리 완료 후 잘 받았고 처리했다는 응답 메시지(Response Message)를 나에게 다시 send() 해주어야 한다.
그리고 나는 그 응답 메시지를 recv() 함수로 읽어들였을 때 비로소 내가 보낸 데이터가 진짜로 완벽하게 전달되고 처리되었다고 확신할 수 있다.

1.2. 클라이언트

클라이언트(발신자) 소켓의 생성 과정
- 1단계. socket(): 소켓 생성
- 2단계. connect(): 서버로 연결 요청 (전화를 거는 행위)

#include <sys/socket.h>
 
// 1. 연결의 요청
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
	// 성공 시 0, 실패 시 -1 반환

2. 환경별 소켓 프로그래밍

2.1. 리눅스 기반의 파일 조작과 소켓

리눅스는 소켓도 파일로 간주한다.
- 리눅스 운영체제에서는 파일과 소켓을 동일하게 취급하므로,
- 저수준 파일 입출력(Low-level File I/O) 함수를 소켓 통신에도 그대로 사용할 수 있다.
저 수준 파일 입출력
- ANSI의 표준함수가 아닌, 운영체제가 제공하는 함수 기반의 파일 입출력
- 표준이 아니기 때문에 운영체제에 대한 호환성이 없다.
- 리눅스는 소켓도 파일로 간주하기 때문에 저 수준 파일 입출력 함수를 기반으로 소켓 기반의 데이터 송수신이 가능하다.
파일 디스크립터(File Descriptor, FD)
- 운영체제가 파일이나 소켓을 구분하기 위해 부여하는 정수 값이다.
- 기본 할당: 0(표준 입력), 1(표준 출력), 2(표준 에러)
- 소켓이나 파일을 생성하면 3번부터 순차적으로 번호가 부여된다.
주요 함수
- open(): 파일 열기 (O_CREAT, O_RDONLY 등 오픈 모드 지정)
- close(): 파일(또는 소켓) 닫기
- write(): 파일/소켓에 데이터 쓰기 (송신)
- read(): 파일/소켓에서 데이터 읽기 (수신)

2.2. 윈도우 기반 소켓 프로그래밍

윈도우 환경(Winsock)에서 소켓 프로그래밍을 하려면
- 리눅스와 달리 몇 가지 추가 설정과 전용 함수가 필요하다.
헤더 및 라이브러리
- 헤더파일 빈 칸 출제

#include <winsock2.h> // 헤더를 포함
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 라이브러리를 링커에 추가해

초기 설정 및 해제
- WSAStartup()
  - 프로그램 시작 시 반드시 호출하여
  - 윈속 라이브러리를 메모리에 로드(초기화)해야 한다.
- WSACleanup()
  - 프로그램 종료 직전에 호출하여
  - 할당된 윈속 라이브러리 리소스를 해제한다.

2.3. 리눅스와 윈도우 소켓 함수의 주요 차이점 요약

가장 큰 차이점은 윈도우는 리눅스와 달리 파일과 소켓을 별개의 리소스로 엄격하게 구분한다는 것이다.

구분	리눅스 (Linux)	윈도우 (Windows)
식별자	파일 디스크립터 (정수형 FD)	핸들 (HANDLE / `SOCKET` 타입)
연결 종료	`close(fd)`	`closesocket(s)`
데이터 송신	`write()` (파일/소켓 공용)	`send()` (소켓 전용)
데이터 수신	`read()` (파일/소켓 공용)	`recv()` (소켓 전용)
실패 반환값	보통 `-1` 반환	`INVALID_SOCKET` 또는 `SOCKET_ERROR` 반환

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탐색기

01_네트워크 프로그래밍과 소켓의 이해

도입

1. 네트워크

2. 데이터 전송 흐름

(1) 수신 측: 데이터를 받는 과정

(2) 송신 측의 흐름 (Application → OS → Hardware)

3. 소켓 통신을 통한 두 호스트 간의 데이터 전송 파이프라인

(1) 송신 측 데이터 흐름 (Encapsulation)

(2) 연결선 (네트워크 망)

(3) 수신 측 데이터 흐름 (Decapsulation)

1. 네트워크 프로그래밍과 소켓의 기초 (전화기 비유)

1.1. 서버

cf. Application 레벨의 수신 확인(recv)

1.2. 클라이언트

2. 환경별 소켓 프로그래밍

2.1. 리눅스 기반의 파일 조작과 소켓

2.2. 윈도우 기반 소켓 프로그래밍

2.3. 리눅스와 윈도우 소켓 함수의 주요 차이점 요약

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