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ソケット・プログラミング(Socket Programming)

ソケット・プログラミング」は、さまざまなオペレーティング・システム(OS)上で、さまざまなプログラミング言語がサポートしている TCP/IP ネットワーク上のアプリケーションやプロセスを作成することができます。ネットワーク上にあるマシン間のみならず、同一マシン内のプロセス間の通信にも利用されます。

PHP ソケット・プログラムサンプル」や「Python IPv4/IPv6 ソケット・プログラムサンプル」との組み合わせで、異なるプログラム言語間でのソケット通信が試せます。

また、「ソケット・プログラミング」は、TCP/IP ネットワーク上のさまざまなアプリケーションやプロセスのほかにも、さまざまなハードウェアとの間の通信にも利用されます。

ソケット・プログラミング」では、オペレーティング・システム(OS)が公開しているソケット・アプリケーション・プログラム・インタフェース (Socket API) あるいはソケット・インタフェース、プログラミング言語により構成されているソケット・ライブラリを使用します。さらに、オペレーティング・システム(OS)やハードウェア、アプリケーション、プロセスに応じた機能などを加えてライブラリを構築することを目的することも多くあります。

TCP/IP プロトコル群は、多くは4階層で説明されます。最上層から、アプリケーション層トランスポート層インターネット層ネットワーク・インターフェース層です。なお、ネットワーク・インターフェース層を物理層(ハードウェア)と分けた5階層で説明されることもあります。

ソケットは、トランスポート層とネットワーク層における通信接続ポイント (端点) となり、ネットワーク上の指定した名前あるいはアドレスとの間で通信リンクを確立して、パケットという単位で通信を行います。

OSI参照モデルTCP/IPプロトコル群
第 7 層アプリケーション層第 4 層アプリケーション層
第 6 層プレゼンテーション層
第 5 層セッション層
第 4 層トランスポート層第 3 層トランスポート層
第 3 層ネットワーク層第 2 層インターネット層
第 2 層データリンク層第 1 層ネットワーク・インターフェース層
第1層物理層

ストリーム・ソケット

ストリーム・ソケットのコネクション型接続は、トランスポート層のトランスミッション・コントロール・プロトコル(Transmission Control Protocol、TCP)を実装します。 コネクション型では、コネクション(論理通信路)を確保し、すべての通信はこのコネクション上でなされます。

ストリーム・ソケットでは、送信または受信されるデータは、バイト・ストリームとして処理します。データの長さを元としたフロー制御でデータを送受信します。

Server Client
socket()
bind()
listen() socket()
accept() 通信リンク確立 connect()
read()/write() データ送受信 read()/write()
close() close()

ストリーム・ソケットのサーバプログラム例(LINUX gcc 版)

このソケットプログラム例は、IPv4 と IPv6 に対応しますが、起動時にどちらか一方のひとつのアドレスが対象となります。なお、「IPv4/IPv6 ソケット・プログラムサンプル(LINUX gcc 版)」では、IPv4 と IPv6の両方の接続を受け入れる対応を追加しています。



#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
 struct addrinfo hints;
 struct addrinfo *res, *rp;
 int rc, sock, pt;
 struct sockaddr_storage sock_addr;
 socklen_t sock_addr_len;
 ssize_t rcv_len;
 char buf[BUF_SIZE];

 if (argc != 2) {
  fprintf(stderr, "Usage: %s port\n", argv[0]);
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
 hints.ai_family = AF_UNSPEC;     /* Allow IPv4 or IPv6 */
 hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* Stream socket */
 hints.ai_flags = AI_PASSIVE;     /* For wildcard IP address */
 hints.ai_protocol = 0;           /* Any protocol */
 hints.ai_canonname = NULL;
 hints.ai_addr = NULL;
 hints.ai_next = NULL;

 rc = getaddrinfo(NULL, argv[1], &hints, &res);
 if (rc != 0) {
  fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rc));
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 for (rp = res; rp != NULL; rp = rp->ai_next) {
  sock = socket(rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
  if (sock == -1)
   continue;

  if (bind(sock, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen) == 0)
   break;
  close(sock);
 }

 if (rp == NULL) {
  fprintf(stderr, "Could not bind\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 freeaddrinfo(res);

 if (listen(sock, 5) == -1){
  perror("listen");
  close(sock);
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 for (;;) {
  sock_addr_len = sizeof(struct sockaddr_storage);
  if ((pt = accept(sock, (struct sockaddr *) &sock_addr, &sock_addr_len)) == -1) {
   perror("accept");   
   close(sock);
   exit(EXIT_FAILURE);
  }
  
  char host[NI_MAXHOST], service[NI_MAXSERV];
  rc = getnameinfo((struct sockaddr *) &sock_addr, sock_addr_len, host, NI_MAXHOST, service, NI_MAXSERV, NI_NUMERICSERV);
  if (rc == 0)
   printf("accept %s:%s\n", host, service);
  else
   fprintf(stderr, "getnameinfo: %s\n", gai_strerror(rc));

  for (;;) {
   memset(buf, 0, sizeof buf);
   rcv_len = read(pt, buf, BUF_SIZE);
   if (rcv_len == -1) {
    perror("read");
    break;
   }
   if (rcv_len == 0)
    break;

   printf("Received %zd bytes from %s:%s\n", rcv_len, host, service);

   if (write(pt, buf, rcv_len) != rcv_len)
    fprintf(stderr, "Error sending response\n");
  }
  close(pt);
 }
 close(sock);
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

ストリーム・ソケットのクライアントプログラム例(LINUX gcc 版)

getaddrinfo() から取得したアドレスで順番に接続を試みます。



#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
 struct addrinfo hints;
 struct addrinfo *res, *rp;
 int sock, rc, j;
 size_t len;
 struct sockaddr_storage sock_addr;
 socklen_t sock_addr_len;
 ssize_t rcv_len;
 char buf[BUF_SIZE];

 if (argc < 3) {
  fprintf(stderr, "Usage: %s host port message...\n", argv[0]);
   exit(EXIT_FAILURE);
 }

 memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
 hints.ai_family = AF_UNSPEC;     /* Allow IPv4 or IPv6 */
 hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* Stream socket */
 hints.ai_flags = 0;
 hints.ai_protocol = 0;           /* Any protocol */

 rc = getaddrinfo(argv[1], argv[2], &hints, &res);
 if (rc != 0) {
  fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rc));
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 for (rp = res; rp != NULL; rp = rp->ai_next) {
  sock = socket(rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
  if (sock == -1)
   continue;

  if (connect(sock, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen) != -1)
   break;

  close(sock);
 }

 if (rp == NULL) {
  fprintf(stderr, "Could not connect\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 freeaddrinfo(res);

 for (j = 3; j < argc; j++) {
  len = strlen(argv[j]) + 1;

  if (len + 1 > BUF_SIZE) {
   fprintf(stderr, "Ignoring long message in argument %d\n", j);
   continue;
  }

  if (write(sock, argv[j], len) != len) {
   fprintf(stderr, "Error sending message\n");
   close(sock);
   exit(EXIT_FAILURE);
  }

  rcv_len = read(sock, buf, BUF_SIZE);
  if (rcv_len == -1) {
   perror("read");
   close(sock);
   exit(EXIT_FAILURE);
  }

  printf("Received %zd bytes: %s\n", rcv_len, buf);
 }

 close(sock);
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

データグラム・ソケット

データグラム・ソケットのコネクションレス型接続は、トランスポート層のユーザ・データグラム・プロトコル(User Datagram Protocol、UDP)を実装します。

データグラムは、独立したパケットとして TCP/IP 通信網の動的経路により送信されます。よって、データの到着順番は保証されません。

Server Client
socket()
bind() socket()
recvfrom() データ sendto()
sendto() データ recvfrom()
close() close()

データグラム・ソケットのサーバプログラム例(LINUX gcc 版)

このソケットプログラム例は、IPv4 と IPv6 に対応しますが、起動時にどちらか一方のひとつのアドレスが対象となります。なお、「IPv4/IPv6 ソケット・プログラムサンプル(LINUX gcc 版)」では、IPv4 と IPv6の両方の接続を受け入れる対応を追加しています。



#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
 struct addrinfo hints;
 struct addrinfo *res, *rp;
 int rc, sock;
 struct sockaddr_storage sock_addr;
 socklen_t sock_addr_len;
 ssize_t rcv_len;
 char buf[BUF_SIZE];

 if (argc != 2) {
  fprintf(stderr, "Usage: %s port\n", argv[0]);
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
 hints.ai_family = AF_UNSPEC;    /* Allow IPv4 or IPv6 */
 hints.ai_socktype = SOCK_DGRAM; /* Datagram socket */
 hints.ai_flags = AI_PASSIVE;    /* For wildcard IP address */
 hints.ai_protocol = 0;          /* Any protocol */
 hints.ai_canonname = NULL;
 hints.ai_addr = NULL;
 hints.ai_next = NULL;

 rc = getaddrinfo(NULL, argv[1], &hints, &res);
 if (rc != 0) {
  fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rc));
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 for (rp = res; rp != NULL; rp = rp->ai_next) {
  sock = socket(rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
  if (sock == -1)
   continue;

  if (bind(sock, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen) == 0)
   break;
  close(sock);
 }

 if (rp == NULL) {
  fprintf(stderr, "Could not bind\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 freeaddrinfo(res);

 for (;;) {
  sock_addr_len = sizeof(struct sockaddr_storage);
  rcv_len = recvfrom(sock, buf, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *) &sock_addr, &sock_addr_len);
  if (rcv_len == -1)
   continue;               /* Ignore failed request */

  char host[NI_MAXHOST], service[NI_MAXSERV];

  rc = getnameinfo((struct sockaddr *) &sock_addr, sock_addr_len, host, NI_MAXHOST, service, NI_MAXSERV, NI_NUMERICSERV);
  if (rc == 0)
   printf("Received %zd bytes from %s:%s\n", rcv_len, host, service);
  else
   fprintf(stderr, "getnameinfo: %s\n", gai_strerror(rc));

  if (sendto(sock, buf, rcv_len, 0, (struct sockaddr *) &sock_addr, sock_addr_len) != rcv_len)
   fprintf(stderr, "Error sending response\n");
 }
 close(sock);
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

データグラム・ソケットのクライアントプログラム例(LINUX gcc 版)

getaddrinfo() から取得したアドレスで順番に送信を試みます。



#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
 -struct addrinfo hints;
 struct addrinfo *res, *rp, *re;
 int sock, rc, j;
 size_t len;
 struct sockaddr_storage sock_addr;
 socklen_t sock_addr_len;
 ssize_t rcv_len;
 char buf[BUF_SIZE];

 if (argc < 3) {
  fprintf(stderr, "Usage: %s host port message...\n", argv[0]);
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

 memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
 hints.ai_family = AF_UNSPEC;    /* Allow IPv4 or IPv6 */
 hints.ai_socktype = SOCK_DGRAM; /* Datagram socket */
 hints.ai_flags = 0;
 hints.ai_protocol = 0;          /* Any protocol */

 rc = getaddrinfo(argv[1], argv[2], &hints, &res);
 if (rc != 0) {
  fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rc));
  exit(EXIT_FAILURE);
 }
 re = res;
 
 for (j = 3; j < argc; j++) {
  len = strlen(argv[j]) + 1;

  if (len + 1 > BUF_SIZE) {
   fprintf(stderr, "Ignoring long message in argument %d\n", j);
   continue;
  }

  for (rp = re; rp != NULL; rp = rp->ai_next) {
   sock = socket(rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
   if (sock == -1)
    continue;

   if (sendto(sock, argv[j], len, 0, (struct sockaddr *) rp->ai_addr, rp->ai_addrlen) == len)
    break;

   close(sock);
  }

  if (rp == NULL) {
   fprintf(stderr, "Could not send message\n");
   freeaddrinfo(res);
   exit(EXIT_FAILURE);
  }
  else {
   re = rp;
   rcv_len = recvfrom(sock, buf, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *) &sock_addr, &sock_addr_len);
   if (rcv_len == -1) {
    close(sock);
    continue;               /* Ignore failed request */
   }  	
   printf("Received %zd bytes: %s\n", rcv_len, buf);
   close(sock);
  }
 }
 freeaddrinfo(res);
 close(sock);
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

『ソケット・プログラミング』を公開しました。

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終価係数 : 元本を一定期間一定利率で複利運用したとき、将来いくら になるかを計算するときに利用します。

現価係数 : 将来の一定期間後に目標のお金を得るために、現在いくら の元本で複利運用を開始すればよいかを計算するときに利用します。

年金終価係数 : 一定期間一定利率で毎年一定金額を複利運用で 積み立て たとき、将来いくら になるかを計算するときに利用します。

年金現価係数 : 元本を一定利率で複利運用しながら、毎年一定金額を一定期間 取り崩し ていくとき、現在いくら の元本で複利運用を開始すればよいかを計算するときに利用します。

減債基金係数 : 将来の一定期間後に目標のお金を得るために、一定利率で一定金額を複利運用で 積み立て るとき、毎年いくら ずつ積み立てればよいかを計算するときに利用します。

資本回収係数 : 元本を一定利率で複利運用しながら、毎年一定金額を一定期間 取り崩し ていくとき、毎年いくら ずつ受け取りができるかを計算するときに利用します。

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