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情報処理IIb(n) vol.3 慶應義塾大学 村井純 今日やること コンピュータコミュニケーションの基礎 – 先週の続き • DNS • ネットワーク層まとめ、ここまでの復習 – トランスポート層 • UDP/TCP • コネクション型、コネクションレス型 コンピュータコミュニケーションのモデル – プロキシサーバ 名前とＩＰアドレス コンピュータは数字を扱う方が得意 – コンピュータはアドレスが分ればＯＫ 人間は数字を扱うのは得意ではない – 数字より名前の方が扱いやすい 名前 – ホストの名前 (例： mail0 ) – 組織の名前 （例： sfc.keio.ac.jp) ドメインの構造 ｊｐ ａｄ ｗｉｄｅ ｅｄｕ ａｃ ｋｅｉｏ ｓｆｃ keio ｊａｉｓｔ ｍａｇ ｃｓ ｓｔａｎｆｏｒｄ ｌｅｌａｎｄ ｓｒ コマンドで名前を引いてみよう nslookupコマンド Name serverに聞いて、名前からIPアドレ スを調べるコマンド % nslookup racerx.sfc.wide.ad.jp Server: ns0.sfc.keio.ac.jp Address: 133.27.4.121 Name: racerx.sfc.wide.ad.jp Address: 203.178.139.177 ネットワーク層のまとめ ホスト・ホスト間の通信を担う – ルーティング – フォワーディング – フラグメント・リアセンブル 信頼性のある通信を行うことはできない。 – 転送されるデータ(パケット)はなくなってしまう可能性 がある – 落としたら、報告だけする 信頼性は上位層で。。 ちょっぴりここまでの復習 Application TCP IP Network Interface Physical ホスト間の通信を実現 相互接続されたホスト間の通信を実現 物理的な通信状態の実現 ネットワーク層まで利用することで、インターネット上の ホストホスト間の信頼性のない通信を実現 OSI参照７層モデル 各メーカーの機器が相互接続出来ない。 統合標準化するための体系するための考案 プロトコル設計の物差し Application Application Presentation Presentation Session Session Transport Transport Network Network Network Datalink Datalink Datalink Physical Physical Physical OSI参照７層モデル 各メーカーの機器が相互接続出来ない。 統合標準化するための体系するための考案 プロトコル設計の物差し Application Application Application Application Presentation Presentation Presentation Presentation Session Session Session Session Transport Transport Transport Transport Network Network Network Network Datalink Datalink Datalink Datalink Physical Physical Physical Physical インターネットの階層モデル IP層はバケツリレー（伝言ゲーム） IP層ではじめてエンドエンドの通信が確立 IPの上位層はIPの機能をするために世界中のホストと通 信できる Application Application Application Application TCP TCP TCP TCP IP IP IP IP Network Interface Network Interface Network Interface Network Interface Physical Physical Physical Physical トランスポート層 アプリケーション間(プロセス間）の通信を 担う – アプリケーションの識別にはポート番号と呼ば れる16bitの数字を用いる – ネットワーク層はホスト間の通信 TCP・UDP – TCP/UDP毎に独立したポートの表を持つ アプリケーションとポート IPアドレス(ホスト)と上位プロトコル、ポートによって 通信を一意に識別 ブラウザ ホストA.12345とホストB.80の通信 12345 WWW サーバ 80 TCP TCP TCP TCP IP IP IP IP Network Interface Network Interface Network Interface Network Interface Physical Physical Physical Physical ホストA ホストB WellKnown Port 1024以下のポート番号は以下のようなサービス のために予約されている – – – – – – – /etc/servicesに登録されている Echo 7/tcp Echo 7/udp ftp 21/tcp Ssh 22/tcp telnet 23/tcp http 80/tcp /etc/services # # @(#)services 1.16 90/01/03 SMI tcpmux 1/tcp # rfc-1078 echo 7/tcp echo 7/udp discard 9/tcp sink null discard 9/udp sink null systat 11/tcp users daytime 13/tcp daytime 13/udp netstat 15/tcp chargen 19/tcp ttytst source chargen 19/udp ttytst source ftp-data 20/tcp ftp 21/tcp telnet 23/tcp smtp 25/tcp mail time 37/tcp timserver time 37/udp timserver ポート番号の例 www.sfc.wide.ad.jpのport 番号80番に接続 [kenken@bono]telnet www.sfc.wide.ad.jp 80 Trying 203.178.140.3 ... Connected to enterprise.sfc.wide.ad.jp. Escape character is '^]'. GET /index.html <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 3.2//EN"> <HTML> <HEAD> <TITLE>Tokuda, Murai, Kusumoto & Nakamura Laboratory</TITLE> <LINK REV=MADE HREF="mailto:[email protected]"> <META HTTP-EQUIV="Content-Type" CONTENT="text/html; charset=ISO2022-JP"> </HEAD> <BODY BGCOLOR="#D6AF85"> WWWを見る GET /index.html 送りたいデータ IP層で決まった次に渡すべきホスト（nexthop)の物理アドレス 宛先IPアドレスと送り元IPアドレスなどをヘッダに書き込む。 宛先IPアドレスから自分宛てでないと判断する IPヘッダの宛先アドレスが自分であることを知る。 受け取ったパケットのヘッダをのぞき、自分宛てか確認 ヘッダに宛先ポート番号、送り元ポート番号などを書いて と自分の物理アドレスと上位のプロトコルをヘッダに書き込む。 ルーティングテーブルから最終的な宛先IPアドレスへは ブラウザが相手のアドレスとポートを指定しデータを TCPヘッダに書いある宛先ポート番号が８０であることを ８０番のポートにbindされたhttpサーバーがTCP層から IPヘッダに書いてある上位層を調べ、TCP層であると知る ヘッダから上位層をIPと判断し、ヘッダを取り除いてIP層へ 物理的に伝達される 付け、IP層へ渡す トレーラーを付けるネットワークインターフェースもある。 どの直接繋がったホストへ渡せばよいか判断してその TCP層に渡す 知る。８０番にbindされているプロセスに渡す データを受け取る。 物理的に伝達される TCP層へ渡す。 渡す そのパケットを物理メディアに流す インターフェースのネットワークインターフェース層へ渡す Application Application Application Application data data TCP data IP data Network data Interface Physical data TCP IP data Network data data Interface Physical TCP IP data Network data Interface data data Physical TCP data IP data Network data Interface dataPhysical TCP vs UDP ネットワークを利用するアプリケーションは主に トランスポートプロトコルとしてTCPとUDPを利用する。 TCP •Reliable •Sequence Control •Flow Control •Congestion Control •Retransmission •Bit-based charging UDP •Unreliable •No Sequence Control •No Flow Control •No Congestion Control •No Retransmission •Fixed-rate charging コネクション型通信 ２地点間を仮想回線(Virtual Circuit)で結 ぶ 中継 A B コネクションレス型通信 ２地点間をデータグラム転送で結ぶ 中継 A B 向き・不向き Virtual-circuit 長所 信頼性がある オーバヘッドが大きい 短所 高い処理能力が必要 Datagram オーバーヘッドが 小さい 高い処理能力を必 要としない 信頼性がない UDP (User Datagram Protocol) 機能的にはIPと同じ – 信頼性のないコネクションレス型通信をアプリケー ションに提供 パケットフォーマット ３１ １５１６ ０ 発信元ポート番号 発信先ポート番号 UDPデータ長 UDPチェックサム データ TCP (Transmission Control Protocol) 異なるホストのアプリケーション間に信頼性の ある通信を提供 IPが提供する通信に信頼性を与える • • • • • コネクション型通信 タイムアウトと再転送 エラー検出とエラー訂正 フロー制御 順序の再構成 – データ転送に関するインターフェイスを提供 輻輳制御ルール１：返事で判断 返事が早い→空いてる→沢山送る 輻輳制御ルール2：混んだら小さく 返事が遅い→混んでる→少し送る 輻輳制御ルール2：混んだら小さく 返事が無い→混んでる→少し送る 輻輳制御ルール3：空いても急ぐな 返事が早い→空いてる→ゆっくり送る バイト数/日 サンフランシスコ→藤沢（バイト数/日） TCP/UDP利用別グラフ 14000000000 12000000000 10000000000 8000000000 6000000000 4000000000 2000000000 0 UDP TCP 1 2 3 4 5 月 6 7 インターネットが遅い原因 返事が遅い – 相手がのろい – 途中がのろい 相手がのろい場合 – 相手が過負荷 • アクセスが多すぎる • 力がなさ過ぎる 途中がのろい場合 – どこかの待ち行列であふれている TCPヘッダ Src Port Dst Port Sequence Number Acknowledgement Number Offset Reserved Flag TCP Checksum Option (if any) Data Window Size Urgent Pointer Padding Flags CODE FlagsはTCPがコネクション制御に利用 6つのflagsがある – – – – – – URG： Urgent Pointerが有効 ACK： Acknowledge Numberが有効 PSH： セグメントをすぐに上位層へ渡す RST： エラーによる強制的なクローズ SYN： コネクションセットアップの同期をとる FIN： コネクションを終了する TCPの状態遷移図 CLOSED Passive Open Recv SYN send SYN,ACK SYN_RCVD Active Open LISTEN Send SYN Recv RST Send SYN SYN_SENT Recv SYN Recv SYN,ACK Send ACK Recv ACK ESTABLISHED データ転送状態 コネクション開始 送信側 SEQ=812 受信側 SYN SEQ=812 No ACK SEQ=123 SYN SEQ=123 ACK=813 SEQ=813 ACK=124 SEQ=123 SEQ=813 ACK=124 ACK=813 3way Handshake コネクションのセットアップ – ホスト1、ホスト2間で • ホスト1はSYN Flagのついたパケットを送る • SYNを受けたホスト2は相手との同期を取るために SYN Flagのついたパケットを送る。この時いっしょ に受け取ったSYNに対するACK Flagもつける • ホスト2からSYNを受け取ったホスト1はACKを返す – SYN と ACKが相乗り • Piggy Back コネクションの終了 コネクションの終了はFIN Flagによって行う コネクションの終了は一方ごとにできる FIN SEQ=457 SEQ=789 ACK=458 FIN SEQ=790 SEQ=458 ACK=791 データの転送 Sequence NumberとAcknowledge Numberによって、デー タの順番を保証 ACKが帰ってきたら次のデータを送る ACKが帰ってこなかったら前のデータを再転送 SEQ=231 DATA SEQ=456 ACK=232 SEQ=232 DATA データ転送（続き） いちいちACKを待つと効率が悪い 推測を元にある程度先送りした方が良い だが、先送りしすぎるとACKがなかなか帰ってこ ない 幅を決めなければならない Congestion Control(輻輳制御) 輻輳(Congestion) – 中間ノードがデータグラムの過負荷によって 遅延が生じた状態． 輻輳を解決するために – ウィンドウコントロール – スロースタート ウィンドウコントロール ４ 先送りする幅を決める仕組み 送るパケットを制限する SEQ=238 SEQ=270 SEQ=302 SEQ=334 ACK=335 ４ スロー･スタート ネットワークに送り出されるパケットの通信速度を 他方のエンドから返される確認応答の通信速度 を同期させるためのもの 送り手のTCPに別のウィンドウを追加する。 – 輻輳ウィンドウ(cwnd) 新しいコネクションが確立 輻輳ウィンドウをセグメント1つに初期化 ACKが受け取られるたびに、輻輳ウィンドウは1セ グメントずつ増やされる スロー・スタート animation cwnd=1 1:513(512)ack1, win4096 １ ack513, win8192 cwnd=2 ３ ４ cwnd=3 ６ ７ cwnd=4 cwnd=5 ２ 513:1025(512)ack1, win4096 1025:1537(512)ack1, win4096 ack1025, win8192 1537:2049(512)ack1, win4096 ５ 2049:2561(512)ack1, win4096 ack1537, win8192 ８ ack2049, win8192 ９ まとめ IPはホストホスト間の通信まで トランスポート層はポート番号によってアプ リケーション間の通信を実現 UDPはIPの提供する品質の通信 TCPはいろいろな機能を用いることで、信 頼性のある通信をアプリケーション間に提 供する 続Socket Programming１ 慶応大学政策・メディア研究科 今泉英明 [email protected] 今日の目標 ソケットプログラミングの基礎を学ぶ – TCPクライアントプログラムを通して説明 • 名前からIPアドレスを調べる • Socketを開いてサーバとおしゃべりできるようにな る 人間ブラウザ/人間メーラになる ソケット(Socket) Socketとはプロセス間通信(Inter Process communication)を行うひとつの手段(API)であ る – ネットワークサーバ・クライアントプログラム – 同一システム内のプロセス間通信 – 新たなトランスポート層の開発 などができる プログラムの流れ 1. 2. 3. 4. 5. 6. ホスト名からIPアドレスを取得 Sockaddr_in構造体に、サーバのIPアド レスとポート番号を設定 ソケットを開く 2の構造体を使って、サーバと接続 おしゃべり Close() sockaddr_in構造体 ソケットのアドレスを記述するもの – IPアドレス – ポート番号 – プロトコルfamily 78 0 長さ 1516 31 proto Port番号 IPアドレス unused unused gethostbyname()関数 struct hostent *gethostbyname(const char *name); Nameで指定された名前を調べるための 関数 余裕のある人は/usr/include/netdb.hを のぞいて、hostent構造体を調べてみよ う！ ネットワーク・バイト・オーダ 注意 Network Byte Order CPUアーキテクチャによって、バイトの並びが違う – 一般にBig Endian(sparc等)とLittle Endian(Intel等)の二つ ネットワーク上に流すバイト順を統一しなくてはならない – Big Endianに統一 htons()/htonl()/ntohs()/ntohl()を利用 リトルエンディアン ビッグエンディアン 16ビット整数 （short) 32ビット整数 （long) 1 2 1 2 3 4 2 1 4 3 2 1 システムコールの流れ TCPクライアント socket() TCPサーバ サーバ初期処理 connect() write() read() read() write() close() EOFの通知 read() close() 初期状態 接続待機状態(Listen) クライアント プロセス Port A サーバ プロセス Port B Port C ホストA IP Address: xx.xx.xx.xx. ホストB IP Address: xx.xx.xx.xx. SocketをOpen 接続待機状態(Listen) クライアント プロセス Port A サーバ プロセス Port B Port C ホストA IP Address: xx.xx.xx.xx. ホストB IP Address: xx.xx.xx.xx. サーバと接続 サーバのIPアドレスとポート番号を指定して Connect() 通信確立状態(Establish) クライアント プロセス Port X Port A サーバ プロセス Port B Port C ホストA IP Address: yy.yy.yy.yy ホストB IP Address: xx.xx.xx.xx. サーバ通信 •ソケットディスクリプタを読み書きするだけ •単なるバイトの列が通るだけ。 •IPアドレスもポート番号も気にする必要はない •サーバとクライアント同士が通信するためのプ ロトコル クライアント プロセス GET /index.html <TITLE>Title</TITLE> <BODY>………… サーバ プロセス 低レベル入出力 ファイル操作 – 主に以下のシステムコールが基本 • • • • Open Close Read Write ファイルディスクリプタを開く ファイルディスクリプタを閉じる ファイルの内容を読む ファイルに、書き込む – Read/writeはファイルディスクリプタに対して 行われる ネットワークプログラミング ソケットディスクリプタに対して操作が行わ れる – Socket – Close – Read – Write む ソケットディスクリプタを開く ソケットディスクリプタを閉じる ソケットからバイト列を読み出す ソケットに対してバイト列を書き込 socket()システムコール int socket(int family, int type, int proto); – familyにはプロトコルファミリを指定 • • • • AF_INET AF_INET6 AF_LOCAL AF_ROUTE IPv4プロトコル IPv6プロトコル UNIX Domain Socket 経路制御ソケット – Typeにはソケットのタイプ（以下のどれか） • SOCK_STREAM • SOCK_DGRAM • SOCK_RAW ストリームソケット データグラムソケット rawソケット – Protoにはrawソケット以外、通常０ socket()システムコール 成功: ソケットディスクリプタが返る 失敗: -1が返る – ソケットディスクリプタはファイルディスクリプタ の友達(基本はread/write) 参照：参考図書の84-85page TCPを利用してsocketを開こう！ とりあえずソケットを開く sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); AF_INETの場合の利用されるIPv4の上位層 •SOCK_STREAM TCP •SOCK_DGRAM UDP •SOCK_RAW なし 初期状態 接続待機状態(Listen) クライアント プロセス Port A サーバ プロセス Port B Port C ホストA IP Address: xx.xx.xx.xx. ホストB IP Address: xx.xx.xx.xx. SocketをOpen 接続待機状態(Listen) クライアント プロセス Port A サーバ プロセス Port B Port C ホストA IP Address: xx.xx.xx.xx. ホストB IP Address: xx.xx.xx.xx. サーバに接続しよう！ サーバのあがっているIPアドレスとポート 番号を指定し、sockaddr_in構造体に設 定 その情報をconnect()システムコールの引 数として設定。 目的ホストのIPアドレスを調べて、IPアドレ スとポート番号を設定する connect()システムコール int connect(int sock, const struct sockaddr *address, size_t address_len); Addressで指定されたプロセスと接続する 成功： ０ 失敗： -1 TCPの場合(AF_INET/SOCK_STREAM) – Active open サーバと接続 サーバのIPアドレスとポート番号を指定して Connect() 通信確立状態(Establish) クライアント プロセス Port X Port A サーバ プロセス Port B Port C ホストA IP Address: yy.yy.yy.yy ホストB IP Address: xx.xx.xx.xx. ソケットの状態を確認 クライアント側でnetstat –a – すべてのソケットの状態を表示 TCP Local Address yy.yy.yy.yy.X Remote Address xx.xx.xx.xx.A State ESTABLISHD サーバ通信 •ソケットディスクリプタを読み書きするだけ •IPアドレスもポート番号も気にする必要はない •サーバとクライアント同士が通信するためのプ ロトコル クライアント プロセス GET /index.html <TITLE>Title</TITLE> <BODY>………… サーバ プロセス 人間メーラ % tcp_connect mail.sfc.keio.ac.jp 25 helo jp あいさつ mail from: hiddy メールの送り元 アドレス rcpt to: hiddy メールのあて先アドレス data メールのデータの始まりを指示 最近寒くなってきて どうしたこうした . データの終了を指示 ^D % まとめ TCPクライアントのプログラムは、 – Socketを開く – サーバの名前からIPアドレスを調べる – IPアドレスとport番号からサーバに connect() – そのソケットを利用し、read/write – 最後にclose() 自分でやってみよう 今日渡したサンプルプログラムはsoiの ページからたどれるようにします。 それをコンパイルして、実際に接続してみ よう – % gcc tcp_connect.c –lnsl –lresolv –lsocket – 今日の課題 今週の課題 今日作り上げるプログラムを利用して、人間ブラ ウザまたは人間メーラになろう．ポート番号80番 でWWWサーバ, ポート番号25番でメールサー バがあがっている。そのログを記録し、考察して ください – 必ずやってほしいこと • 自分の名前で自分にメール • 友達の名前で自分にメール このプログラムは完全でない。欠点を挙げよ。 締め切り 10月18日午後１１時５９分５９秒 いつもどおりSOIのシステムで提出