[Book] 게임 서버 프로그래밍 교과서 - 2장 컴퓨터 네트워크 (2)

2장 컴퓨터 네트워크

 

6. 컴퓨터 네트워크에서 데이터 보내기와 받기

UDP 네트워킹

UDP는 사용자가 정의한 데이터그램을 상대방에게 보낼 수 있게 하는 통신 규약(프로토콜)이다. 이때 데이터그램은 64킬로바이트 이하의 이진 데이터로 메시지 성질을 가진다. 즉, 데이터 일부가 뭉치거나 쪼개지지 않는다.

 

데이터를 주고받으려면 소켓을 생성해야 한다. 소켓은 단말기 사이에 통신할 수 있게 운영체제에서 제공하는 자원이다.

아래는 소켓을 이용해 UDP를 사용하는 방법이다.

 

C socket() 송신 사용 예

• socket() 함수의 매개변수로 UDP를 쓰겠다고 선언하면 소켓을 생성하고 소켓 핸들을 반환한다.
• 데이터를 주고받으려면 그전에 포트를 할당해야 하는데, bind() 함수를 호출하여 할당한다. any_port를 포트 값으로 넣으면 운영체제가 알아서 사용 가능한 포트를 할당해준다.
• sendTo() 함수를 이용해 상대방의 끝점(endpoint, IP주소와 포트)과 보낼 데이터그램을 넣어 보낸다.
• close() 함수를 호출하면 소켓 핸들이 닫히고 할당받았던 포트도 다시 다른 곳에서 사용 가능한 상태가 된다.

 

C socket() 수신 사용 예

• 소켓 핸들을 만들고 포트를 할당하는 과정까지는 송신과 같다. 다만 송신 측에서 포트를 지정하여 보냈기에 bind() 함수 내 포트를 명시적으로 나타냈다.
• recvfrom() 함수를 이용해 보낸 데이터를 받는다. 이때 아직 데이터가 도착하지 않았으면 함수는 리턴하지 않는다. 데이터가 도착하면 비로소 함수는 리턴하고 받은 데이터와 데이터를 보낸 송신자 주소가 변수 r에 채워진다.

 

UDP는 하나의 UDP 소켓을 이용해 데이터를 보내고 받는 것이 가능하다. 즉, 수신용 송신용 소켓을 따로 만들지 않아도 된다. 그리고 다대다 통신이 가능하므로 상대방의 끝점만 알면 계속 보내도 무방하다.

 

다대다 통신

 

UDP의 문제점은 패킷 유실 현상이 발생할 수 있다는 점이다. 데이터그램 일부를 받지 못하거나 두 번 이상 받을 수가 있다. 심지어 보낸 순서와 다르게 받을 수도 있다.

 

따라서 패킷 유실 현상이 발생해도 문제없을 때만 UDP를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 캐릭터 이동이나 음성 메시지가 있는데, 패킷 유실이 발생하더라도 뒤에 오는 데이터로 보여주면 유저는 크게 불편함을 느끼지 않을 것이다.

 

TCP 네트워킹

UDP의 문제점인 패킷 유실 현상은 TCP를 이용해 해결할 수 있다. TCP는 보내는 쪽 데이터가 받는 쪽에서 완전히 동일함을 보장해 주는 프로토콜이다. 데이터는 스트림 형태로 데이터를 뭉치거나 쪼갤 수 있다.

 

TCP는 데이터를 주고받기 전에 연결 과정을 먼저 해야 하며 이를 연결 지향형이라 한다. 이때 연결은 일대일 통신만 가능하다.

 

일대일 통신

 

UDP와 TCP 모두 계층 4에 위치하며 인터넷 프로토콜(IP, 계층 3) 위에서 작동한다. 그래서 UDP는 IP 패킷 유실이 발생할 경우 UDP 데이터그램도 덩달아 드롭된다. 하지만 TCP는 데이터가 상대방에게 정확히 전송된다. 이것이 가능한 이유는 TCP의 흐름 제어 기능 때문이다.

 

TCP에서 보낼 스트림 데이터는 세그먼트라는 IP 패킷에 넣을 수 있는 크기의 단위로 쪼개진다. 그리고 IP 패킷 안에 세그먼트를 넣어 수신자에게 전송된다. 수신자는 IP 패킷을 받아 세그먼트를 꺼내고 받은 세그먼트 응답(ack)을 송신자에게 반송한다. 보낸 쪽에서는 일정 시간 안에 세그먼트에 대한 ack가 회신되지 않으면 응답이 올 때까지 다시 보낸다.

 

ack 응답

 

아래는 소켓을 이용해 TCP를 사용하는 방법이다. UDP와 많은 부분이 비슷하지만 몇 가지 차이점이 있다.

 

C socket() 송신 사용 예

• socket() 함수로 소켓을 생성할 때 TCP를 쓰겠다고 선언해야 한다.
• 데이터를 보내기 전 상대방과 연결이 필요하다. connect(addr) 함수를 호출하여 연결을 시도하며 성공할 때까지 블로킹된다.
• send() 함수를 이용해 데이터를 보낸다. 이미 connect()으로 끝점을 지정했기 때문에 끝점 인자는 필요 없다.

 

C socket() 수신 사용 예

• 먼저 소켓을 생성하는데 이 소켓은 데이터 스트림을 받지 않고 listen socket 역할을 한다. listen socket은 TCP 연결을 받아들이는 역할만 하여 고정된 끝점을 갖고 있어야 한다. 그래서 listen() 함수를 이용해 끝점을 확보한다.
• accept() 함수를 실행하면 TCP 연결을 받을 때까지 블로킹된다. 연결에 성공하면 새로운 소켓 생성과 함께 통신을 위한 소켓 핸들이 반환된다. 이때 새로운 소켓은 기존 소켓과 다른 포트를 갖는다.
• recv() 함수를 이용해 보낸 데이터를 받는다.
• close() 함수를 이용해 연결을 끊는다. 이 함수가 호출되면 호출한 프로세스 안에 있는 recv() 함수는 0을 리턴하게 된다.

 

TCP는 스트림 형식이라 보니 recv() 호출 한 번으로 다 받지 못하기도 한다. 원하는 만큼 계속해서 받아오거나 받을 때마다 부분 데이터라도 필요한 처리를 하면 된다. 그리고 TCP도 UDP와 동일하게 소켓 하나로 송수신이 모두 가능하다.

 

7. 패킷 유실 시 UDP와 TCP에서 현상

OSI 모델의 계층 1~3에서는 패킷 유실이 발생할 수 있다. 이때 UDP와 TCP에서 어떤 처리를 하는지 알아보자.

 

UDP에서는 데이터그램 자체가 유실된다. 게다가 데이터그램 크기가 클수록 유실될 확률이 높아진다. 데이터그램을 IP 패킷 크기에 맞게 나눠 보내는데, 이 중 하나라도 유실되면 수신자는 전체 데이터그램을 받지 못하게 된다.

 

TCP에서는 유실된 패킷에 대한 ack가 도착하지 못해서 재송신을 시도한다. 수신 측에서는 도착하지 않는 패킷이 있으므로 데이터 스트림을 조립하지 못한다. 결국 재전송 시간만큼 지연 시간이 발생하게 된다.

 

이와 같은 차이로 UDP는 패킷 유실이 있어도 괜찮은 곳에서 사용한다. 그 외의 모든 경우에는 대부분 TCP를 사용한다.

 

8. 주로 사용하는 메시지 형식

게임의 메시지는 크게 텍스트나 바이너리 형식으로 정의한다.

• 텍스트 형식은 메시지를 받는 쪽에서 특정 글자가 나올 때까지 글자 검색을 하거나 파싱을 하는 것이 일반적이다. 요즘엔 HTPP나 JSON 같은 표준화된 형식을 사용한다.
• 이진, 즉 바이너리 형식은 각 바이트 혹은 비트 필드는 특정한 의미를 가지며 구문 분석기가 필요 없다. 

 

메시지 안에 내용을 담는 것뿐만 아니라 그 메시지 내용이 어떤 것을 담고 있는지의 정보를 같이 포함시키는 형식도 있다. 이러한 정보를 흔히 메타데이터라 한다. 메타데이터를 포함하면 데이터 통신량이 많아지지만 정확한 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어 구 클라이언트와 최신 클라이언트가 한 서버에 접속할 때 메시지 구조를 정확하게 주면 호환성 문제를 해결할 수 있다.

 

9. 네트워크 주소 변환

네트워크 주소 변환(Network Address Translation)이란 다른 단말기로 전송되던 패킷의 송신자 주소나 수신자 주소가 다른 것으로 변환되는 과정을 의미한다. NAT 변환을 하는 기기를 NAT 라우터(공유기)라 한다.

 

55.66.77.88 공용 사용 예

 

NAT 라우터가 하는 일은 IP 주소 1개를 여러 기기가 공용하도록 만들어 주는 것이다.