ネットワークプログラミングの基本的なシステムコールを理解する

はじめに

RailsやNext.jsなどのアプリケーションフレームワークを使えば、簡単にネットワークを介したアプリケーションを作成することができますが、その背後にはOSが提供する基本的なネットワーク操作が存在しています。

アプリケーションはユーザランドに属しているため、カーネルランドに属しているTCP/UDP等のトランスポート層の機能を使うためにはシステムコールを呼び出す必要があります。

今回はTCPでネットワークプログラミングをする際に必要なシステムコールについて調べていきます。

socket()

まずはsocket()を呼び出すことによって、アプリケーション層とトランスポート層の間に口を作ります。

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

呼び出しの際の引数はそれぞれ以下を意味します。

• domain
  • どのプロトコルファミリーで通信するかを指定します
  • ex
    • AF_INET: IPv4 Internet protocols
    • AF_INET6: IPv6 Internet protocols
    • AF_BLUETOOTH: Bluetooth low-level socket protocol
• type
  • ソケットのタイプを指定します
  • ex
    • SOCK_STREAM: TCPコネクションで使われるsocketタイプ
    • SOCK_DGRAM: UDP通信で使われるsocketタイプ
• protocol
  • ソケットが使用するプロトコルを指定します
  • ここで指定できるプロトコルは/etc/protocolsで管理されています

戻り値は、この呼び出しによって作成されたsocketを参照するfile descriptorです。

bind()

socket()で作成された、socketに対してアドレスを割り当てます。
ここで言うアドレスとはIPアドレスとport番号のことです。

#include <sys/socket.h>

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

• sockfd
  • bindするsocketのfile descirptorを指定します
  • socket()の戻り値がここに入ります
• addr
  • 割り当てるアドレスを指定します
• addrlen
  • 第2引数のconst struct sockaddr *addrで表される構造体のサイズを指定します

Serverの場合は特定のportに対してbindすることがほとんどですが、Clientからリクエストを送る際にもこのbind()は呼び出されています。

Clientからリクエストを送る際にはbind先を指定しないことがほとんどなので、kernelが暗黙に指定していますが、これらのportのことをephemeral portと呼びます。
ephemeral portとして使うことができる範囲は決められていて、/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_rangeで確認することができます。

listen()

listen()によって作成されたsocketがClient用ではなくてServer用であることを明示します。
この時点でServerにおけるClientからの接続要求の準備が整います。

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

• sockfd
  • 対象のsocketのfile descriptorを指定します
• backlog
  • queueに入れられる処理待ちのconnectionの最大サイズを指定します
  • このサイズに到達した場合、Clientはエラーを受け取ります

accept(), accept4()

accept()で、接続待ちコネクションが入っているqueueからコネクションを取り出して、そのコネクションに対応するためのread/write用のsocketを作成します。

#include <sys/socket.h>

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

• sockfd
  • listening用のsocketのファイルディスクリプタを指定します
  • socket()の戻り値に等しいです
• addr
  • 自socketのアドレスではなく、接続要求をしてきたClientのアドレスを指定します
• addrlen
  • 第2引数の構造体のサイズを指定します

戻り値は、コネクションに対応するために作成したread/write用のsocketのfile descriptorです。

recv()

recv()で、対象のsocketからmessageを受け取ります。

#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void buf[.len], size_t len, int flags);

• sockfd
  • Server: accpet()で作成したsocketのfile descriptを指定します
  • Client: socket()で作成したsocketのfile descriptを指定します
• buf
  • messageを受け取るためのbufferのポインタを指定します
• len
  • 第2引数のbufferの最大サイズを指定します
• flags
  • 受信時の動作を指定するオプションフラグです

戻り値は受信したmessageのサイズになります。

send()

send()によって、接続しているsocketに対してmessageを送信します。

#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void buf[.len], size_t len, int flags);

• sockfd
  • Server: accpet()で作成したsocketのfile descriptを指定します
  • Client: socket()で作成したsocketのfile descriptを指定します
• buf
  • 送信したいデータが乗っているbufferのポインタを指定します
• len
  • bufferのサイズを指定します
• flags
  • 送信時の動作を指定するオプションフラグです

参考