6월14일 epoll, 레벨트리거, 엣지트리거, 멀티캐스트

select() 장단점

장점

- 다양한 운영체제에서 사용 가능 (좋은 이식성)

 

단점

- 서버가 많은 동시 접속자(Client) 지원 어려움 (FD_SETSIZE로 제한)

- 다중화 처리 속도 느림

• Select() 함수 리턴 후, 모든 파일 디스크립터를 대상으로 하는 반복문
• Select() 함수 호출할 때마다 파라미터로 매번 전달해야 하는 관찰대상에 대한 정보들

-Select() 함수는 운영체제 커널에 의해서 완성되는 기능이 아닌, 순수 하게 함수에 의해 완성되는 기능임

- Select() 함수의 호출을 통해서 전달된 정보는 운영체제에 등록되지 않는 것이며, 그래서 select() 함수를 호출할 때마다 매번 관련 정보를 전달해야함. 단점의 가장 큰 원인

 

단점의 해결책

운영체제에게 관찰대상에 대한 정보를 딱 한번만 알려주고서, 관찰대상의 범위, 또는 내용에 변경이 있을 때 변경 사항만 알려주도록 하자.

 

최신 Multiple IO

운영체제 레벨에서 다중화 기능 지원

• 운영체제에게 관찰대상에 대한 정보를 한번만 전달
• 변경 사항(관찰대상 범위 및 내용)이 있는 경우에만 다시 전달

예

• 리눅스 epoll
• 윈도우 IOCP( I/O Completion Port)
• FressBSD kqueue
• 솔라리스 /dev/poll

 

Select() 함수 사용 조건

- 서버의 접속자 수가 많지 않음

- 다양한 운영체제에서 운영이 가능 해야 함

운영체제 레벨이 아닌, 함수레벨에서 완성되는 기능이다 보니, 호환성이 상대적으로 좋다.

 

 

리눅스 대용량 처리 기술

 

단일 프로세스/단일 스레드 기반

• Thread 및 Process를 생성하는데 많은 비용이 소모
• 단일 기술로 대량 접속 및 데이터 처리에 적합하지 않음

 

epoll(Event Poll)

• 입출력 다중화 기술 기반
• None Thread/Process Create
• 빠른 입출력 처리 가능

 

real-time signal

• 시그널 기반
• 빠른 입출력 처리

 

epoll

 

select와 비교한 epoll의 장점

- 상태변화의 확인을 위한, 전체 파일 디스크립터를 대상으로 하는 반복문이 필요 없다.

- select 함수에 대응하는 epoll_wait 함수호출 시, 관찰대상의 정보를 매번 전달할 필요가 없다.

 

IO Multiplexing와 완전히 동일

- 비동기 & 블로킹 모델

- 장점 계승, 단일 프로세스/스레드로 다수 입출력 처리 가능

- 단점 해결. 이벤트 목록을 반환, FD_SET 순환 필요 없음. FD_SET 복사 필요 없음

 

epoll_create(2) : epoll 인스턴스 생성하고 디스크립터 반환

epoll_create1(2) : epoll_create(2)의 확장

epoll_ctl(2) : epoll 인스턴스에 아이템을 추가

epoll_wait(2) : IO 이벤트 대기

 

epoll_create() //epoll 파일 디스크립터 저장소 생성

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size); // size : 생성할 epoll 인스턴스

int epoll_create1(int flags); // flags : 생성할 epoll 인스턴스, EPOLL_CLOEXEC : 파일 디스크립터에 FD_CLOEXEC플래그 설정

 

epoll_wait // 이벤트 개수 만큼 events를 순환하면서, 이벤트를 처리한다. 파일 디스크립터의 변화를 대기

#include <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

int epoll_pwait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevnets, int timeout, const sigset_t *sigmask);

• event poll에서 이벤트 발생을 기다린다.
• events : 발생한 이벤트 목록을 가리킨다.
• timeout : 이벤트가 발생할 때까지 기다리는 시간
• 반환 값 : 발생한 이벤트 개수

 

 

epoll_ctl //이벤트 개수 만큼 events를 순환하면서, 이벤트를 처리한다. 저장소에 파일 디스크립터 등록 및 삭제

#include <sys/epoll.h>

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

- op

  -EPOLL_CTL_ADD : 소켓을 이벤트 풀에 추가하기

  -EPOLL_CTL_DEL : 이벤트 풀에서 삭제하기

- event : 기다릴 이벤트를 정할 수 있다.

  -EPOLLIN, EPOLLHUP, EPOLLET

 

epoll_event 구조체

epoll_event.events : 이벤트 종류

epoll_event.data : 이벤트 정보를 포함하는 union 구조체로 주소를 가리킬 수 있다.

 

typedef union epoll_data {
 void *ptr;
 int fd;
 uint32_t u32;
 uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
 uint32_t events; /* Epoll events */
 epoll_data_t data; /* User data variable */
};
 
 
 

 

epoll 사용 구조

struct epoll_event ev, *events;
events = malloc(sizeof(epoll_events) * 100);
efd = epoll_create(100); // 이벤트 풀의 크기를 100으로 한다.
ev.events = EPOLLIN; // 입력 이벤트를 처리한다.
ev.data.fd = sockfd; // listen socket을 이벤트 풀에 넣는다.
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
while(1) {
   n = epoll_wait(efd, events, 100, -1); // 이벤트 풀에서 기다린다.
   for(i = 0; i < n; i++) {
   if(events[i].data.fd == sockfd) { //accpet 함수를 호출
   clientfd = accept(...);
   ev.events = EPOLLIN;
   ev.data.fd = clientfd;
 // 연결 socket를 epoll에 넣는다.
   epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
   }
   else { read(); write() } // 연결socket 이벤트 입출력 처리를 한다.
   }
}

 

echo_epollserv.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
 
#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    int serv_sock,clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr,clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];
 
    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;
 
    if(argc!=2){
        printf("Usage : %s <port>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
 
    serv_sock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    memset(&serv_adr,0,sizeof(serv_adr));
 
    serv_adr.sin_family=AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
 
    if(bind(serv_sock,(struct sockaddr*)&serv_adr,sizeof(serv_adr))==-1)
        error_handling("bind() error");
    if(listen(serv_sock,5)==-1)
        error_handling("listen() error");
 
    epfd=epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events=malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
 
    event.events=EPOLLIN;
    event.data.fd=serv_sock;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,serv_sock,&event);
 
    while(1)
    {
        event_cnt=epoll_wait(epfd,ep_events,EPOLL_SIZE,-1);
        if(event_cnt==-1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }
 
        for(i=0;i<event_cnt;i++)
        {
            if(ep_events[i].data.fd==serv_sock)
            {
                adr_sz=sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock=accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&clnt_adr,&adr_sz);
                event.events=EPOLLIN;
                event.data.fd=clnt_sock;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clnt_sock,&event);
                printf("connected client : %d\n",clnt_sock);
            }
            else
            {
                str_len=read(ep_events[i].data.fd,buf,BUF_SIZE);
                if(str_len==0) //close request!
                {
                    epoll_ctl(
                            epfd,EPOLL_CTL_DEL,ep_events[i].data.fd,NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client: %d\n",ep_events[i].data.fd);
                }
                else
                {
                    write(ep_events[i].data.fd,buf,str_len); //echo!
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}
 
void error_handling(char *buf)
{
    fputs(buf,stderr);
    fputc('\n',stderr);
    exit(1);
}
 

 

 

 

레벨 트리거(Level Trigger), 엣지 트리거(Edge Trigger)

 

Level-Triggered : 특정 조건이 유지되면 계속 감지

Edge-Triggered : 조건이 변할 때만 감지. ET

Epoll은 LT를 기본으로 한다.

- LT일 경우 IO Multiplexing과 동일하게 작동한다.

 

엣지 트리거 기반의 서버 구현을 위해 필요한 것

 

1. 넌-블로킹 IO로 소켓 속성 변경

int flag-fcntl(fd, F_GETFL,0);

fcntl(fd,F_SETFL,floag|O_NONBLOCK);

fcntl 함수호출을 통해서 소켓의 기본 설정정보를 얻은 다음, 거기에 O_NONBLOCK 속성을 더해서 소켓 특성을 재설정

 

엣지 트리거는 데이터 수신 시 딱 한번만 이벤트가 발생하기 때문에 이벤트가 발생했을 때 충분한 양의 버퍼를 마련한 다음에 모든 데이터를 다 읽어 들여야 한다. 즉, 데이터의 분량에 따라서 IO로 인한 DELAY가 생길 수 있다. 그래서 엣지 트리거에서는 넌-블로킹 IO를 이용한다. 입력 함수의 호출과 다른 작업을 병행할 수 있기 때문이ㅏㄷ.

 

2. 입력버퍼의 상태 확인

int errno;

넌-블로킹 IO 기반으로 데이터 입력 시 데이터 수신이 완료되었는지 별도로 확인해야 한다. 

<error.h>를 포함하고 변수 errno을 참조. errno에 EAGAIN이 저장되면 버퍼가 빈 상태

 

epoll 이벤트 트리거: ET

struct epoll_event ev, *events;
events = malloc(sizeof(epoll_events) * 100);
efd = epoll_create(100); // 이벤트 풀의 크기를 100으로 한다.
ev.events = EPOLLIN; // 입력 이벤트를 처리한다.
ev.data.fd = sockfd; // listen socket을 이벤트 풀에 넣는다.
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
while(1) {
   n = epoll_wait(efd, events, 100, -1); // 이벤트 풀에서 기다린다.
   for(i = 0; i < n; i++) {
   if(events[i].data.fd == sockfd) { //accpet 함수를 호출
   clientfd = accept(...);
         ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
   ev.data.fd = clientfd;
 // 연결 socket를 epoll에 넣는다.
   epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
   }
   else { read(); write() } // 연결socket 이벤트 입출력 처리를 한다.
   }
}

 

 

멀티캐스트(Multicast)

 

멀티캐스트의 데이터 전송방식과 트래픽 이점

• 멀티캐스트 서버는 특정 멀티캐스트 그룹을 대상으로 데이터를 딱 한번 전송한다.
• 딱 한번 전송하더라도 그룹에 속하는 클라이언트는 모두 데이터를 수신한다.
• 멀티캐스트 그룹의 수는 IP주소 범위 내에서 얼마든지 추가가 가능하다.
• 특정 멀티캐스트 그룹으로 전송되는 데이터를 수신하려면 해당 그룹에게 가입하면 된다.

 

멀티캐스트 그룹을 대상으로 하는 데이터의 수신을 위해서는 가입의 절차를 걸쳐야 한다.

모든 호스트에 데이터 전송을 해야 할 때, TCP 또는 UDP보다 발생하는 트래픽의 양이 적다.

멀티 캐스트는 연결의 개념이 존재하지 않는다. 따라서 UDP 소켓을 기반으로 전송된다.

 

라우팅과 TTL

TTL (Time to Live)

• 패킷을 얼마나 멀리 보낼 것인가를 결정하는 요소
• TTL은 정수로 표현되며, 라우터를 하나 거칠 때마다 1씩 감소
• TTL이 0이 되면, 해당 패킷은 소멸된다.

 

그룹으로의 가입방법

멀티캐스트 그룹의 가입은 소켓의 옵션정보 변경을 통해서 이뤄진다. 그룹의 가입에 사용되는 프로토콜 레벨은 IPPROTO_IP이고, 프로토콜의 이름은 IP_ADD_MEMBERSHIP이다. 그리고 그룹의 정보는 ip_mreq 구조체 변수를 이용해서 표현한다.

struct ip_mreq

{

     struct in_addr imr_multiaddr;

     struct in_addr imr_interface;

}

 

멀티캐스트 Sender

news_sender.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
 
#define TTL 64
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    int send_sock;
    struct sockaddr_in mul_adr;
    int time_live=TTL;
    FILE *fp;
    char buf[BUF_SIZE];
 
    if(argc!=3){
        printf("Usage: %s <GroupIP> <PORT>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
 
    send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    memset(&mul_adr,0,sizeof(mul_adr));
    mul_adr.sin_family=AF_INET;
    mul_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]); //Multicast IP
    mul_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2])); //Multicast port
 
    setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,
            IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live));
    if((fp=fopen("news.txt","r"))==NULL)
        error_handling("fopen error");
 
    while(!feof(fp)) //Broadcasting
    {
        fgets(buf,BUF_SIZE,fp);
        sendto(send_sock,buf,strlen(buf),
                0,(struct sockaddr*)&mul_adr,sizeof(mul_adr));
        sleep(2);
    }
 
    close(fp);
    close(send_sock);
    return 0;
}
 
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message,stderr);
    fputc('\n',stderr);
    exit(1);
}
 

sender에서는 특정 멀티캐스트 그룹을 향해 파일에 저장된 데이터를 전송하고 있다.

 

이 데이터는 라이오 방송과 마찬가지로 receiver가 그룹에 가입을 하는 순간 부터 수신을 시작한다.

 

news_receiver.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
 
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    int recv_sock;
    int str_len;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in adr;
    struct ip_mreq join_adr;
 
    if(argc!=3){
        printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT> \n",argv[0]);
        exit(1);
    }
 
    recv_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    memset(&adr,0,sizeof(adr));
    adr.sin_family=AF_INET;
    adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
 
    if(bind(recv_sock,(struct sockaddr*)&adr,sizeof(adr))==-1)
        error_handling("bind() error");
 
    join_adr.imr_multiaddr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
    join_adr.imr_interface.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
 
    setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP,
            IP_ADD_MEMBERSHIP,(void*)&join_adr,sizeof(join_adr));
 
    while(1)
    {
        str_len=recvfrom(recv_sock,buf,BUF_SIZE-1,0,NULL,0);
        if(str_len<0)
            break;
 
        buf[str_len]=0;
        fputs(buf,stdout);
    }
 
    close(recv_sock);
    return 0;
}
 
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message,stderr);
    fputc('\n',stderr);
    exit(1);
}
 

receiver가 멀티캐스트 그룹에 가입을 하는 순간부터 데이터를 수신하게 된다. 따라서 가입 이전에 sender가 전송한 데이터는 수신할 수 없다.

 

브로드캐스트의 이해와 구현의 방법

브로드캐스트

• 동일한 네트워크 내에 존재하는 호스트에게 데이터를 전송하는 방법
• 데이터 전송의 대상이 호스트가 아닌 네트워크
• 멀티캐스트와 마찬가지로 UDP 소켓을 기반으로 한다.
• IP에서 네트워크 주소를 제외한 호스트 주소를 모두 I로 해서 전송하면, 해당 네트워크로 데이터가 전송된다 - Directed 브로드캐스트
• 255.255.255.255로 데이터를 전송하면, 전송한 호스트가 속한 네트워크로 데이터가 전송된다 -Local 브로드캐스트

 

int send_sock;

int bcast=1; //SO_BROADCAST의 옵션정보를 1로 변경하기 위한 벼수 초기화

. . . . . . . . . .

send_sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM,0);

setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&bcast,sizeof(bcast));

. . . . . . . . . . .