実験 6 通信基礎実験 1 目的ネットワークを通じてデータ転送を行うことを体験的に学ぶために本実験ではT CP/IPプロトコルを使いワークステーション間で通信を行うクライアントサーバモデルのプログラムを作成する 2 解説 1 ネットワークとプロトコルネットワーク ( コンピュータネットワーク

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ともあきおおふさ
5 years ago
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1 実験 6 通信基礎実験 1 目的ネットワークを通じてデータ転送を行うことを体験的に学ぶために本実験ではT CP/IPプロトコルを使いワークステーション間で通信を行うクライアントサーバモデルのプログラムを作成する 2 解説 1 ネットワークとプロトコルネットワーク ( コンピュータネットワーク ) とは2 台以上のコンピュータが何らかの線でつながったものであるしかし線で接続されているだけではコンピュータ間で通信を行うことが出来ずコンピュータ間の通信を行う物理的な手順 ( ネットワークカードなどのハードウェアに関する通信方法 ) 論理的な手順 ( アプリケーションにおけるソフトウェアに関する通信方法 ) を与える必要があるこのようなコンピュータ間の通信手段の取り決めをプロトコルというインターネットとは大学や企業などの組織内で構築されたネットワークを相互に接続する広域ネットワークでインターネットプロトコル (IP) と呼ばれるプロトコルによって通信が行われる通信線には電話線イーサネットケーブル同軸ケーブル光ケーブル鳩などがある 2 TCP/IP TCP/IPはアメリカ国防省の高等研究計画局 (Advanced Research Projects Agency, ARPA) のネットワークであるARPANET 上で開発された当初 ARPANETはパケット交換を使用して広域ネットワークを構築するために設計されたが TCP/IPプロトコルはLANにも適用されるようになった 1980 年代始めに発表されたUNIX4.2BSDにおいてTCP/IPが実装されていたことからワークステーションの通信プロトコルとして実質的な標準となり 1983 年にはARPANETの標準プロトコルとして使用されるようになった 3 UDP UDPはトランスポート層のプロトコルでアプリケーションからアプリケーションへの通信を提供する IPがインターネットアドレスをともにパケットの交換を行うのに対し UDPはポートという概念でパケットの交換を行う IP で確立された通信路上にポートという出入り口を持った通信路が仮想的に複数確立される -1-

2 UDPはTCPのコネクション型通信と比べ信頼性の低いコネクションレス型の通信を行い誤り制御順序付けフロー制御を行わないそのため UD Pモジュールの処理が単純になり TCPに比べ高速なデータ転送が可能になるこのようにIPがもつ最低限の機能のみをユーザーアプリケーションに提供しているため誤り制御などの信頼性については上位のプロトコルで対処する必要がある 4 IPアドレスネットワークに接続されたパソコンやワークステーションで通信を行うためにはそれぞれのコンピュータを区別するためのアドレスが必要であるインターネット上の ( 正確にはインターネットプロトコルで通信を行う ) 装置に割り当てられるアドレスをインターネットアドレス (IPアドレス) と言いのようにドットで区切られた4つの10 進数で表されるインターネットに接続される全ての装置にはユニークなIPアドレスが割り当てられるようになっておりそれらはすべてNIC( Network Information Center) で管理されているそのなかでも日本で使用されるIPアドレスはJPNIC で管理されているしかしインターネットが急速に普及するにつれてIPアドレスの不足が心配されるようになったきたそのため組織内部だけのクローズなLAN 環境ではインターネットにアクセスする場合だけ本来のユニークなアドレス ( グローバルアドレス ) を割り当てる方法が利用されるようになったプライベートアドレス空間からグローバルアドレス空間 ( インターネット ) をアクセスできるようにする仕組みとしてはプロキシや NAT(Network Address Translator) が利用される 5 クライアントサーバモデルのネットワークプログラミングクライアントサーバモデルはネットワークアプリケーションの形態の1つで 1つのアプリケーションがクライアント( サービスを要求するもの) とサーバ( サービスを提供するもの ) で構成されているクライアントとサーバはネットワーク上でお互いに通信を行いながら具体的な処理を行う一般的にサーバはクライアントからの要求を待ち要求に対応した処理を行いその結果をクライアントへ送信するたとえば WWWはクライアントサーバモデルのシステムであり Netscape Navigator Internet Explorer などのクライアントと Apache Netscape Enterprise Server などのサーバがHTTPによる通信を行っている本実験ではクライアントとサーバの2つのプログラムがネットワーク上でお互いに通信を行いながら具体的な処理を行うプログラムを作成する -2-

3 6 ソケットインターフェースソケットインターフェースは, トランスポート層とアプリケーション層の間のインターフェースで, ユーザが作成するアプリケーション層のプログラムから, トランスポート層のプロトコルモジュール ( TCP,UDP) を呼び出すために使用される TCP か UDP どちらかを選択できるが, ここでは UDP によるコネクションレス型通信の基本的手順を説明するソケットインターフェースのシステムコールを使用する例を下図に示すプログラム内で呼ばれるシステムコールを説明する client process server process socket() socket() bind() bind() request sendto() recvfrom() recvfrom() sendto() reply close() close() 1 socket() クライアント, サーバともに通信の最初に呼び出すシステムコール通信のための通信ポートの作成, 使用するプロトコルを設定 2 bind() 作成したソケットを識別するためのアドレスを与える 3 sendto (), recvfrom() 通信相手のソケットアドレスを指定して, メッセージの送受信を行うクライアントは sendto() で要求して, recvfrom() で受け取る 4 close() データ転送終了時にソケットをクローズする処理を行う -3-

4 7 ポート番号ポート番号にはユーザが自由に使える物と, すでにきめられたサービスのために割り当てられているものがある以下に一般に割り当てられているポートの一覧を示すポート番号用途ウェルノウンポート ( telnet, ftp など良く使われるサービス用 ) 予約済ポート ( スーパーユーザプロセスのみ利用可能 ) 自動割り当てポート ( ポートを指定しなかった場合に自動的にシステムが割り当てる ) ユーザが自由に使えるポート 3 実験 1 週目は文字通信プログラムを作成する通信で送られてきた ASCII 文字 ( 半角英数字 ) を大文字にしてクライアントへ返信するサーバープログラムと, 通信で文字を送り, また送られてきたデータを受信表示するクライアントプログラムを使用して, ソケット通信を学ぶ -4-

5 4 実験結果 #include < stdio.h> #include < sys/types.h> #include < sys/socket.h> #include < netinet/in.h> #include < netdb.h> #define MAXLINE 512 #define SERV_UDP_PORT / * 穴埋め : 使用するポート番号を定義する*/ #define Error fprintf main( argc, argv) int argc; char *argv[]; { int n, sockfd, servlen, dummylen; struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr; struct hostent *host; char *hname; char *program; char sendline[ MAXLINE ], recvline[ MAXLINE + 1 ]; int errno; program = argv[ 0 ]; if ( argc == 1) { fprintf( stderr, " 引数 ( サーバーホスト名 ) を指定してください. n" ); /* 穴埋め : 引数で指定したサーバ情報を host に代入する*/ if (( host = gethostbyname( argv[ 1 ])) == NULL) { 5 fprintf( stderr, "%s n", h_errno ); /* serv_addr にサーバアドレスを設定する*/ bzero(( char *) &serv_addr, sizeof( serv_addr )); serv_addr.sin_family = AF_INET; serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr( inet_ntoa( host-> h_addr )); serv_addr.sin_port = htons( SERV_UDP_PORT ); /* 穴埋め :socket() */ if (( sockfd = socket( serv_addr.sin_family, SOCK_DGRAM, 0 )) == -1) { fprintf( stderr, "Socket Error: %d n", errno ); -5-

6 /* cli_addr にローカルアドレスを設定する*/ bzero(( char *) &cli_addr, sizeof( cli_addr )); cli_addr.sin_family = AF_INET; cli_addr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY ); cli_addr.sin_port = htons( 0 ); /* 穴埋め :bind() */ if ( bind( sockfd, ( struct sockaddr *)&cli_addr, sizeof( cli_addr )) == -1) { fprintf( stderr, "Bind Error: %d! n", errno ); /* main loop */ printf (" 終了する場合は Ctrl+D を入力してください. n" ); while( printf ("%%"),fgets( sendline, MAXLINE, stdin )!= NULL) { n = strlen( sendline ); /* 穴埋め: ループ内の処理 */ if (( servlen = sendto( sockfd, &sendline, n, 0, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof ( serv_addr ))) == -1) fprintf( stderr, "Send Message is failed!: %d n", errno ); continue; if ( ( recvfrom( sockfd, &recvline, servlen, 0, ( struct sockaddr *) &cli_addr, &dummylen)) == -1) { fprintf( stderr, "Receive Message is failed!: %d n", errno ); continue; recvline[ n ] = 0; fputs( recvline, stdout ); printf (" 終了します n" ); close( sockfd ); 入力した文字列がサーバに送られ大文字になって帰ってくる様子を確認 -6-

7 5 考察 1 本実験では UDP というコネクションレス型の通信プログラムを作成したが TCP を利用してプログラムを作成する場合どのような点が異なるかの手順と比較して具体的に説明せよクライアント側クライアント側では, socket (),connect(),write(),read(),close() の 5 つのシステムコールを使用する. UDP とは違い, 一度繋ぐと通信路を確保して接続をし続けるため, クライアント側に返すために宛先が必要ないため,bind () は存在しない. write() read() はそれぞれ sendto() recvfrom() に対応しており, データの送信受信を行う. サーバ側サーバ側では, socket (),bind(),listen(),accept(),write(),read(),close() の 7 つのシステムコールを使用する. こちら側は相手から繋いでもらうためにソケットにアドレスを設定しないといけないため, bind() が存在する. listen() は接続待ち状態であり, クライアント側の connect() を待つ ( また, 接続されるクライアント数もここで設定する 3). accept() はクライアントから connect() されたときにその接続を受け, 接続された場合にクライアント側に通知する. write() read() はクライアント側とデータの送受をするための関数である. このように, TCP プロトコルを使った通信では, 確実に相手に情報を届けることができ, 送ることができなかった場合もちゃんとエラーが返すことができるようになっている. MSN メッセンジャーなどが TCP で動いている例である. 2 本実験で作成したプログラムを, 効率的なプログラム, 他人から見て読みやすいプログラムに改良するとしたら, どのような点が考えられるか検討せよ. プログラムの穴を埋めているときに気になったのが変数に注釈文がついていないこと変数を使おうと思ったときにどの変数を使って良いのか分からず新しい変数を作ってしまったこれは明らかな無駄である宣言型変数名 ; // 変数の使用目的などの形にすれば改善は可能 3 本実験を行って, 難しかった点, 興味を持った点などについて感想を述べよ穴埋めプログラムのはずが変数宣言やエラー処理などで穴埋めで無い部分を加えすぎてしまったので組み直すことになってしまった明らかな無駄であるかといって1から組めるわけでもないので全部組めと言われても困るところがあるプログラム全体を見れば何を行っているのかだいたい想像はつくが 1 行 1 行に注釈文を付けることは無理であるこの状態で次の実験がうまくいくのか心配である -7-

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4 実験結果 // 用意されたヘッダファイル #include < stdio.h> #include < fcntl.h> #include < netdb.h> #include < sys/types.h> #include < sys/socket.h> #include < sys/sta

4 実験結果 // 用意されたヘッダファイル #include < stdio.h> #include < fcntl.h> #include < netdb.h> #include < sys/types.h> #include < sys/socket.h> #include < sys/sta 実験 6 通信基礎実験 2 1 目的ネットワークを通じてデータ転送を行うことを体験的に学ぶために本実験ではT CP/IPプロトコルを使いワークステーション間で通信を行うクライアントサーバモデルのプログラムを作成する今回は文字データだけでなく音声データも使う事によりより実践的なプログラミングを行う 2 解説前実験と同様なので省略する 3 実験実験 1で作成したプログラムを利用してマイクから入力した音声信号をサーバへ送信するクライアントプログラムを作成せよ