[Book] 게임 서버 프로그래밍 교과서 - 3장 소켓 프로그래밍 (1)

3장 소켓 프로그래밍

소켓은 기본적으로 파일 핸들과 비슷하다. 디스크에 기록하거나 읽어 들일 때 파일 핸들을 사용하는 것처럼 네트워크로 데이터를 전송하거나 받을 때 소켓 핸들을 사용한다.

 

온라인 게임 프로그래밍에서 소켓은 파일 핸들 방식과는 약간 다르다.

• TCP로 통신하는 경우 클라이언트 개수만큼 소켓이 있어야 하므로 게임 서버에서 다루어야 하는 소켓 개수가 많다.
• 파일 핸들을 하는 동안 스레드가 대기하는 일이 없어야 한다.

 

이러한 특징으로 네트워크 프로그래밍에서 소켓은 보통 비동기 입출력 상태로 다룬다. 비동기 입출력 방식에는 크게 논블로킹 소켓 방식과 Overlapped I/O 방식이 있다. 그리고 이 방식을 진보시킨 epoll과 IOCP(I/O Completion Port) 방식이 많이 활용된다.

 

1. 블로킹 소켓

디바이스에 처리 요청을 걸어 놓고 응답을 대기하는 함수를 호출할 때 스레드에서 발생하는 대기 현상을 블로킹이라 한다. 소켓뿐만 아니라 파일 핸들에 대한 함수를 호출했을 때도 이러한 대기 현상이 발생하는 것을 모두 블로킹이라 한다.

 

디바이스에 일을 시키는 함수를 호출한 후 스레드가 대기 상태된 상황

 

블로킹이 발생한 스레드에서는 CPU 연산을 하지 않는다. 즉, 스레드는 waitable state인 상태이다. 이 상태일 때 파일이나 소켓의 실제 처리는 디바이스에서 한다. 작업이 끝나면 상태는 다시 running 상태로 바뀐다.

 

2. 네트워크 연결 및 송신

TCP는 연결 지향형 프로토콜이며 일대일 통신만 허락한다. 따라서 TCP 소켓 1개는 오직 끝점 1개 하고만 통신할 수 있다.

 

TCP 송신

• connect() 함수는 상태방 끝점을 향해 TCP 연결을 시도한다. 이때 연결 응답이 올 때까지 블로킹을 유지한다.
• send() 함수는 자기 컴퓨터의 운영체제에서 상대방 컴퓨터로 데이터를 전송하는 처리가 완료되면 리턴한다.

 

3. 블로킹과 소켓 버퍼

소켓은 각각 송신 버퍼와 수신 버퍼를 하나씩 가지고 있다.

 

송신 버퍼는

• 바이트 배열이며 크기는 고정되어 있으나 크기를 마음대로 변경할 수 있다.
• FIFO 형태로 작동한다.
• send(data)를 호출하면 data는 송신 버퍼에 채워지고 잠시 후 통신 선로를 통해 점차적으로 빠져나간다.
• 송신 버퍼가 가득 찬다면 블로킹이 발생하고 빈 공간이 생기면 블로킹이 해제되고 send() 함수를 리턴한다.

 

블로킹 발생

 

4. 네트워크 연결받기 및 수신

TCP 수신

• accept() 함수는 TCP 연결이 들어올 때까지 기다린다.
• recv() 함수는 수신할 수 있는 데이터가 없으면 블로킹이 일어난다. 이때 받은 데이터 크기가 0바이트라면 상대방에서 TCP 연결을 끝냈음을 의미한다.

 

수신 버퍼는

• 송신 버퍼와 많은 부분이 비슷하지만 작동 순서가 반대이다. 송신 버퍼에는 사용자가 push()하고 운영체제가 pop()을 하지만 수신 버퍼에는 운영체제가 push()하고 사용자가 pop()을 한다.
• 데이터가 수신되는 것이 있을 때마다 계속해서 수신 버퍼에 채워주는데, 꽉 차면 더 이상 데이터를 받지 않는다.
• 수신 버퍼가 완전히 비어 있으면 블로킹이 발생한다.

 

5. 수신 버퍼가 가득 차면 발생하는 현상

만약 수신 함수가 수신 버퍼에서 데이터를 꺼내는 속도가

운영체제가 수신 버퍼의 데이터를 채우는 속도보다 느리면 어떻게 될까?

 

TCP 수신 함수인 recv()는 1바이트라도 수신할 수 있으면 즉시 리턴한다. 위와 같은 상황에서는 어떻게 동작할까?

 

TCP

 

수신 버퍼에는 남은 공간이 하나도 없을 때까지 완전히 채워지게 되고 데이터를 보내는 쪽에서는 송신 함수 send()가 블로킹된다. 이 상태에서는 TCP 통신은 전혀 없고 TCP 연결만 살아 있는 것이다.

 

UDP 소켓에서는 데이터그램이 최소 1개 도착해 있으면 즉시 리턴한다. 위와 같은 상황에서는 어떻게 동작할까?

 

UDP

 

수신 버퍼가 담을 여유 공간이 없으면 데이터그램은 그냥 버려진다. 이때 송신 함수 sendTo()의 블로킹은 발생하지 않는다. 즉, 데이터그램 유실이 발생한다.