演算増幅器

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1 ネットワークプログラミング ( 教科書 p ) これまでに作成したプログラムは 1 台のコンピュータ上で動作するものだった 本日はネットワーク上の別のコンピュータで実行しているプログラムと通信をしながら動作するプログラムの作成方法について学ぶ ネットワークプログラミングを高度に使いこなすためには 関連する知識は幅広く求められる 本日からの学習では単純なチャット ( 会話 ) を行うプログラムを題材として ネットワークプログラミングについての出発点を学んでいくことになる チャットを行うプログラムには Berkley Socket と呼ばれるライブラリを用いて 通信を行うプログラムを作成する IP アドレスコンピュータ間の通信では それぞれのコンピュータを特定するために IP アドレスを使う IP アドレス はちょうど自分たちの世界での 住所 や 電話番号 と同じ役割を果たす お互いがその情報を把握していれば 手紙や電話で情報をやり取りすることができるようになる 自分が使用しているパソコンの IP アドレスを linux 上で確認するためにはターミナルを立ち上げ /sbin/ifconfig とコマンドを入力する すると 以下のような表示が得られる eth0 lo Link encap:ethernet HWaddr 00:20:ED:5B:3E:F2 inet addr: Bcast: Mask: inet6 addr: fe80::220:edff:fe5b:3ef2/64 Scope:Link UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:6220 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:5403 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:1000 RX bytes: (6.1 MiB) TX bytes: (612.5 KiB) Link encap:local Loopback inet addr: Mask: inet6 addr: ::1/128 Scope:Host UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1 RX packets:2507 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:2507 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes: (2.9 MiB) TX bytes: (2.9 MiB) いろいろと表示されるが IP アドレスは eth0 の項目中に下線で示した inet addr: の後に表 示される この例の場合の IP アドレスは となる システムコール通信に関わる処理は OS にその処理を任せることで簡単に扱うことができる ディスプレイへの表示やコンピュータ間の通信はハードウェアを考慮したプログラムとなるため その処理をプログラムで記述することは大変である そのため システムコールというものを利用することで対応するのが普通である システムコールとは OS への関数呼び出し という意味が込められており - 1 -

2 OS に用意されている機能を呼び出すために使用される 以下に通信に関するシステムコールにつ いて 教科書から引用したものを示す ソケットの作成ソケットに名前を付ける接続の受付準備接続要求接続受理データ転送 ソケットのクローズその他 表 1. 通信に関するシステムコール一覧 socket() bind() listen() connect() accept() read(), write() recv(), send() recvfrom(), sendto() shutdown(), close() ioctl(), socketpair() setsockopt(), getsockopt() getsockname(), getpeername() システムコールの関数は見た目上 引数や返却値も持った今まで利用してきた普通の関数と同じ であるため ほとんど区別がつかない しかし マニュアルを表示するコマンドである man を 用いて ターミナルで man socket のように入力すると以下のように表示される SOCKET(2) Linux Programmer s Manual SOCKET(2) 名前 socket - 通信のための端点 (endpoint) を作成する書式 以下は省略 最初の行の下線部は SOCKET(2) と表示されており この 2 という数字からシステムコールである ことが分かる 普通の関数の場合では 例えば man sin と入力すると 以下のように表示さ れる SIN(3) Linux Programmer s Manual SIN(3) 名前 sin, sinf, sinl - 正弦 ( サイン ) 関数書式 #include <math.h> double sin(double x); float sinf(float x); long double sinl(long double x); -lm でリンクする 以下は省略 SIN(3) と表示されており この 3 という数字から普通の関数であると分かる - 2 -

3 通信を行うプログラムの例ネットワークを利用して コンピュータ間で会話を行うチャットプログラムの例を示す これはコンピュータからメッセージを送るクライアントプログラムと コンピュータでメッセージを受け取り 文字列を表示するサーバープログラムの2つを使用する ネットワーク上のコンピュータではサービスを提供するパソコンをサーバーといい サービスの提供を求めるパソコンをクライアントと呼ぶ テキストを送信するクライアントプログラム client.c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #define PORT 5320 int main(int argc, char *argv[]) int soc; char message[80], ip_address[16]; struct sockaddr_in server; if(argc == 1) printf(" 引数に IP アドレスが必要です \n"); exit(0); strcpy(ip_address, argv[1]); // コマンドライン引数の IP アドレスをコピー soc = socket(pf_inet, SOCK_STREAM, 0); // ソケットの作成 memset((char *)&server, 0, sizeof(server)); // アドレス構造体の初期化 // アドレス構造体のメンバに値を設定 server.sin_family = AF_INET; server.sin_port = htons(port); server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_address); connect(soc, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)); // 接続要求 // メッセージを送る while(1) printf("input message:"); fgets(message, 80, stdin); if(strncmp(message, "exit", 4) == 0) break; send(soc, message, strlen(message), 0); - 3 -

4 close(soc); return 0; テキストを受信するサーバープログラム server.c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #define PORT 5320 int main(void) int soc, acc, size; char buffer[80]; struct sockaddr_in client, server; soc = socket(pf_inet, SOCK_STREAM, 0); memset((char *)&server, 0, sizeof(server)); // ソケットの作成 // アドレス構造体の初期化 // アドレス構造体のメンバに値を設定 server.sin_family = AF_INET; server.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); server.sin_port = htons(port); bind(soc, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)); size = sizeof(client); listen(soc, 1); acc = accept(soc, (struct sockaddr *)&client, &size); // 接続要求の受理 // メッセージを受ける while(1) recv(acc, buffer, 80, 0); printf("%s", buffer); memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); close(soc); close(acc); return 0; - 4 -

5 まずは自分のパソコン上でこれらのプログラムの動作を確認する それぞれのプログラムを作成し コンパイルを行い 別々のターミナルで実行する サーバープログラムは今まで通りの実行方法で良いが クライアントプログラムについては 例えば実行ファイル名を client とし 自分のパソコンの IP アドレスが であるならば 以下のように実行する必要がある./client 自分のパソコンの IP アドレスは /sbin/ifconfig コマンドで確認することはすでに示した このプログラムの例の通信の手順に着目すると以下のような流れとなっている クライアント (client) socket() ソケットの作成 サーバー (server) socket() ソケットの作成 bind() ソケットにアドレスを設定 listen() ソケット接続準備 connect() 接続要求待ち send() 接続要求待ち SYN SYN+ACK ACK 3 way handshake accept() 接続要求待ち recv() データ受信 close() ソケット記述子をクローズ close() ソケット切断 図 1 通信の順序 close() ソケット切断 教科書の p に書いてある通り 通信とファイルの読み書きの処理を比較すると 非常に良く似ている ここでは述べないが デバイス ( キーボードなどの外部機器 ) との入出力もファイルの読み書きに似ている コンピュータから見るとデータを入出力するものはすべてファイルとして取り扱われ 初期化の手続きやオプションの処理を除くとほとんど同じ方法で読み書きすることができる 通信を行うためには通信相手のコンピュータとそのプログラムを特定しなくてはならない コン - 5 -

6 ピュータを特定するために IP アドレス を用い プログラムを特定するには ポート番号 を用いる コンピュータは多くの通信処理を同時に行っているため どのプログラムなのか特定する必要があるため ポート番号を利用する 通信に関わるシステムコールの概要について表 1 に通信に使うシステムコールの一覧を示した 教科書に詳しい説明があるので ここでは簡単に概要をまとめておく 1. 初期化処理初期化処理はソケットを作成する socket() とソケットに名前をつける bind() をセットで行う socket() ソケットと呼ばれる通信ポートを作成する サーバーとクライアントの間で通信を行うための口 ( ソケット ) を作成するものと考えればよい socket システムコールを使うために必要なヘッダファイルとそのプロトタイプ宣言は以下である #inlcude <sys/types.h> int socket(int domain, int type, int protocol); 戻り値はファイルディスクリプタと呼ばれる整数値である ファイルディスクリプタとはプログラムがアクセスするファイルや標準入出力などを OS が識別するために使う整数値である ここではこの整数値でソケットを区別する 引数は以下のような値を設定する domain は通信領域の指定を行う 通常のインターネット接続であれば PF_INET と設定する これは いわゆる IP(Interne protocol) である protocol はプロトコルや通信規約と訳される type は TCP 接続を利用するならば SOCK_STREAM と設定する protocol は 0 と設定すればよい bind() ソケットに名前を付ける 具体的には受信ポート番号を指定する #inlcude <sys/types.h> int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socket_t *addrlen); 2. 接続受理準備 listen() ソケットが接続を持っていることを OS に知らせる int listen(int sock, int backlog); sock はソケットのファイルディスクリプタ backlog は受け付けるコネクションの最大数 3. 接続要求 connect() - 6 -

7 クライアント側がサーバーに対して接続の要求を出す #inlcude <sys/types.h> int connect(int sock, const struct sockaddr *addr, socket_t addrlen); 4. 接続要求受理 accept() ソケットに他のプログラム ( プロセス ) が接続してくるのを待ち 接続が完了したらファイルディスクリプタを戻り値として返す 受信にはこのファイルディスクリプタを使う #inlcude <sys/types.h> int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socket_t *addrlen); 5. データの送信 send() データの送信を行う size_t send(int s, const void *buf, size_t len, int flags); 6. データの受信 recv() ソケットからメッセージを受け取る size_t recv(int s, void *buf, size_t len, int flags); 7. 終了処理 close() ファイルディスクリプタを閉じる #include <unistd.h> int close(int fd); 引数はファイルディスクリプタ ( 整数 ) である 演習 1 自分のパソコンの IP アドレスを調べなさい 演習 2 クライアントとサーバーのプログラムを実行し 自分自身とチャットを行いなさい 二つのターミナルを開いて通信を行う 演習 3 隣の人と通信しなさい 演習 4 通信に使ったファイルディスクリプタの番号を調なさい socket() と accept() システム コールの戻り値であり 整数である - 7 -

8 余力があるものは以下を行いなさい 演習 5 accept() システムコールの第 2 引数を調べることにより 接続要求を行ってきたクライアントのIP アドレス ポート番号を調べよ 演習 6 send() とrecv() システムコールではなく write() とread() システムコールを使ったプログラムに書き直しなさい 参考文献このテキストは以下の文献を参考としました [1] C 言語によるプログラミング応用編第 2 版 内田智史監修 オーム社 [2] UNIX ネットワークプログラミング 金内典充 今安正和著 株式会社オーム社 [3] プログラミング技術 伊理政夫他 実教出版株式会社 - 8 -