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@Y-Yoshimura1997

LinuxでSocket通信をやってみる

Last updated at Posted at 2023-11-19

1. はじめに

この記事には続編があります．

1.1. 動機

最近，業務でLinuxを扱う機会があり，個人でも触り始めました．

業務では，組み込みLinuxを主に使用しており，
WindowsPCとのデータ・コマンドのやり取りのために，
Socket通信が用いられています．

Socket通信は汎用性が高そうですし，なにより自分で実装できるよう
なりたいと思い，今回はその過程を記事として投稿することとしました．

ですので，誤った情報を記載している可能性もございます．
温かく見守りつつ，ご指摘いただけますと幸いです．

1.2. 目標

今回は，Socket通信を用いてTCP/IPにより，
文字列をお互いに送受信できることを目標とします．

この目標が達成できれば，プロセスやマシン間で
自由に情報のやり取りが出来るようになり，夢が広がるはずです．

なお，ネイティブでLinuxが動くPCを持っていないので，
以下の環境で動作検証を用います．

  • wsl2 (Windows 11)
  • Ubunts 20.04

wsl2を複数起動する技術とマシンスペックの用意が無いので，
localhost(127.0.0.1)に，サーバとクライアント両方のポートを用意し，
お互いに通信を行うこととします．
(サーバのポート番号は2001．クライアントは指定なし．)

2. ソケット通信について

Linuxのシステムコールsocket()で作成されるエンドポイントを用いた通信を
ソケット通信と呼んでいるようです．

サポートされているプロトコルは幾つかあり，
自身が知っているところでは，

  • トランスポート層 : TCP，UDP
  • ネットワーク層 : IPv4, IPv6

などを選べるようです．

今回は，通信速度は多少犠牲になっても，確実な情報のやり取りを行うことができるように，
TCP/IP通信の実現を目標とします．

2.1. ソケット通信(TCP/IP)の流れ

ソケット通信(TCP/IP)では，サーバとクライアントの二つの役回りがあります．

サーバ側がエンドポイントの作成を行い，そこへクライアントが接続要求を行います．
そして，その要求をサーバが受け入れることで，ようやく通信が確立され，
データの送受信が可能となります．いわゆる3wayハンドシェイクを行う必要があります．

図に示すと，以下のようになります．

socket通信の状態遷移.png

3. C++で実装してみた

サーバ側とクライアント側のプログラムを
それぞれC++でクラス化して実装してみました．

どちら側も，ソケットの作成し通信確立したのちに，
送信．受信処理をそれぞれタスク化して動かしています．

  • 受信処理タスク
    無限ループ内で，受信されるメッセージを待ち受け．
  • 送信処理タスク
    メッセージを1秒おきに送る．

通信確立は，サーバ側・クライアント側で違いはあれど，
それ以外の処理は，共通するところが多いです．
詳細は下記にコードとともに示します．

<サーバ側>

int bind(int __fd, const sockaddr *__addr, socklen_t __len)

  • __fd : アドレスを紐付けるソケットのfd
    socket()で作成したソケットのfdを指定．
  • __addr : ソケットに紐づけるアドレス
    構造体sockaddr_inにipアドレスとポート番号を指定．
  • __len : __addrのサイズ

構造体sockaddrについて

アドレス情報を格納する構造体として，
関数の引数の指定は，構造体sockaddrとなっていますが，
これは汎用型となっており，今回のようにIPv4でアドレスを指定する際は，
構造体sockaddr_inを使用します．

int listen(int __fd, int __n)

  • __fd : 接続待ちするソケットのfd
    socket()で作成し，アドレスをbind()したソケットのfdを指定．
  • __n : 接続要求のキューの最大サイズ
    最大サイズを指定するためにSOMAXCONNを指定．
  • return : 成功すれば0, 失敗すれば-1を返す

int accept(int __fd, sockaddr *restrict __addr, socklen_t *restrict __addr_len)

  • __fd : 接続を受け入れるfd
    listen()していたソケットのfdを指定．
  • __addr : 接続先のアドレスが格納される．
  • __addr_len : __addrのサイズ
  • return : 接続を受け入れたfd

ここで注意なのが，

ssize_t send(int __fd, const void *__buf, size_t __n, int __flags)

同様にデータを送るための関数sendto(), sendmsg(), write()など
がありますが，オプションの有無や引数の指定方法が異なります．

  • __fd : 送受信に用いるソケットのfd
  • __buf : 送信するデータ
  • __n : 送信するデータのサイズ
  • __flag : フラグ引数
    （詳しい内容は理解できておりません）
  • return : 送信されたバイト数

ssize_t recv(int __fd, const void *__buf, size_t __n, int __flags)

同様にデータを受信するための関数recvfrom(), recvmsg(), read()など
がありますが，オプションの有無や引数の指定方法が異なります．

  • __fd : 送受信に用いるソケットのfd
  • __buf : 受信するデータ
  • __n : 受信するデータのサイズ
  • __flag : フラグ引数
    （詳しい内容は理解できておりません）
  • return : 受信されたバイト数
SocketServer.h

#include <iostream>
#include <cstring>

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

class SocketServer
{
private:
    int socket_;
    struct sockaddr_in addr_server_;
    struct sockaddr_in addr_client_;

public:
    SocketServer(int port_server);
    void Connect();
    void SendText(const char* text);
    void RecvText(char* text);
};
SocketServer.cpp
#include "SocketServer.h"

SocketServer::SocketServer(int port_server)
{   
    addr_server_.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr_server_.sin_port        = htons(port_server);
    addr_server_.sin_family      = AF_INET;
};

void SocketServer::Connect()
{
    socket_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bind(socket_, (sockaddr*)&addr_server_, sizeof(addr_server_));
    listen(socket_, SOMAXCONN);
    socklen_t addr_len = sizeof(addr_client_);
    socket_ = accept(socket_, (sockaddr *)&addr_client_, &addr_len);
};

void SocketServer::SendText(const char* text)
{    
    send(socket_, text, std::strlen(text), 0);
};

void SocketServer::RecvText(char* text)
{
    int recv_size = recv(socket_, text, 1024, 0);
    text[recv_size] = '\0';
};
Main.cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

#include "SocketServer.h"

int c = 0;

void SendTask(SocketServer* sock)
{
    for(;;){
        std::string text = "server->client" + std::to_string(c);
        c++;
        sock->SendText(text.c_str());
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); 
    }
}

void RecvTask(SocketServer* sock)
{
    for(;;){
        char text[1024];
        sock->RecvText(text);
        std::cout << "Recive : " << text << std::endl; 
    }
}

int main()
{
    std::cout << "Communicate with TCP/IP!" << std::endl;
    
    int socket_port = 2001;
    SocketServer socket_server(socket_port);
    socket_server.Connect();
    
    std::thread thread_send(SendTask, &socket_server);
    std::thread thread_recv(RecvTask, &socket_server);
    thread_send.join();
    thread_recv.join();
}

<クライアント側>

int connect(int __fd, const sockaddr *__addr, socklen_t __len)

  • __fd : 接続するソケットのfd
    socket()で作成したソケットのfdを指定．
  • __addr : 接続先のアドレス
    構造体sockaddr_inにipアドレスとポート番号を指定．
  • __len : __addrのサイズ
SocketClient.h

#include <iostream>
#include <cstring>

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

class SocketClient
{
private:
    int socket_;
    int sockaddr_len_ = sizeof(struct sockaddr_in);
    struct sockaddr_in addr_server_;

public:
    SocketClient(const char* ip_server, int port_server);
    void Connect();
    void SendText(const char* text);
    void RecvText(char* text);
};
SocketClient.cpp

#include "SocketClient.h"

SocketClient::SocketClient(const char* ip_server, int port_server)
{   
    addr_server_.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_server);
    addr_server_.sin_port        = htons(port_server);
    addr_server_.sin_family      = AF_INET;
}

void SocketClient::Connect()
{
    socket_= socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    connect(socket_, (sockaddr *)&addr_server_, sockaddr_len_);
};

void SocketClient::SendText(const char* text)
{
    send(socket_, text, std::strlen(text), 0);
};

void SocketClient::RecvText(char* text)
{
    ssize_t recv_size = recv(socket_, text, 1024, 0);
    text[recv_size] = '\0';
};
Main.cpp

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

#include "SocketClient.h"

int count = 0;

void SendTask(SocketClient* sock)
{
    for(;;){
        std::string text = "cilent->server" + std::to_string(count);
        count++;
        sock->SendText(text.c_str());
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); 
    }
}

void RecvTask(SocketClient* sock)
{
    for(;;){
        char text[1024];
        sock->RecvText(text);
        std::cout << "Recive : " << text << std::endl; 
    }
}

int main()
{
    std::cout << "Communicate with TCP'/IP!" << std::endl;

    int port_server = 2001;
    const char* ip_server = "127.0.0.1";
    SocketClient socket_client(ip_server, port_server);
    socket_client.Connect();
    std::thread thread_send(SendTask, &socket_client);
    std::thread thread_recv(RecvTask, &socket_client);
    thread_send.join();
    thread_recv.join();
}

4. 次回について

このままでは，安心して通信を行うことが出来ないので，
プログラムを改良する必要があります．

というのも，

  • 接続が寸断された
  • サーバ側が死んだ
  • クライアント側が死んだ

などのトラブルが生じると，プログラムが落ちるなどして通信が止まってしまいます．
また，今のままでは，サーバ -> クライアントの順で立ち上げないと動きません.

そこで次回では，上記の問題に対処していければと思います．

参考記事

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