シンプルなTCPサーバーとクライアント

どんなプログラミング言語を学ぶときも最初にHello Worldを書くように、ソケットプログラミングでもシンプルなHello Worldプログラムを実装してみましょう。

この記事では、シンプルなTCPサーバーとクライアントを実装します。

サーバーは特定のポートとIPアドレスで待ち受けます。
クライアントはサーバーに接続し、データを送信します。
サーバーはデータを受信すると、クライアントに応答を返します。
クライアントは応答を受信して表示します。

プログラムの流れ図

出典: Socket Programming in C/C++ - GeeksforGeeks

サーバーの例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

#define IPADDR "127.0.0.1" /* サーバーのIPアドレス */
#define PORT 43866         /* ポート番号 */
#define STRING_LEN_16 16
#define STRING_LEN_64 64
#define BACKLOG 10

char *_inet_ntoa(struct in_addr *addr, char *ipAddr, int len)
{
    // バイナリIPアドレスを可読なIPアドレスに変換
    if (NULL == addr || NULL == ipAddr || 16 > len)
    {
        printf("invalid param\n");
        return NULL;
    }
    unsigned char *tmp = (unsigned char *)addr;
    snprintf(ipAddr, len, "%d.%d.%d.%d", tmp[0], tmp[1], tmp[2], tmp[3]);
    return ipAddr;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 1. ソケットを作成 socket()
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // TCPソケット
    if (sockfd == -1)
    {
        printf("fail to call socket, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
        exit(0);
    }

    // sockaddr_in構造体を手動で構築
    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));    // 構造体を0で初期化
    addr.sin_family = AF_INET;         // IPv4
    addr.sin_port = htons(PORT);       // ポート番号
    inet_aton(IPADDR, &addr.sin_addr); // 可読IPアドレスをバイナリIPアドレスに変換
    // inet_aton はIPv6をサポートしていないため、現在は推奨されていません

    // 2. ソケットを特定のIPアドレスとポートにバインド bind()
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1)
    {
        printf("fail to call bind, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
        close(sockfd);
        exit(0);
    }

    // 3. ソケットを受動的な待ち受け状態にする listen()
    if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1)
    {
        printf("fail to call listen, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
        close(sockfd);
        exit(0);
    }

    printf("server listen on %s:%u\n", IPADDR, PORT);

    // 4. ソケットが待ち受け状態のとき、accept関数でクライアントの接続を受け付ける accept()
    struct sockaddr_in peerAddr;
    socklen_t peerAddrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
    int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&peerAddr, &peerAddrLen);
    if (connfd == -1)
    {
        printf("fail to call accept, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
        close(sockfd);
        exit(0);
    }
    char peerIPAddr[STRING_LEN_16];
    _inet_ntoa(&peerAddr.sin_addr, peerIPAddr, STRING_LEN_16);
    printf("peer client address [%s:%u]\n", peerIPAddr, ntohs(peerAddr.sin_port));

    while (1)
    {
        // 5. クライアントから送信されたデータを受信 recv()
        char buf[STRING_LEN_64];
        int n = recv(connfd, buf, STRING_LEN_64 - 1, 0);
        buf[n] = '\0';

        if (0 == n) // nが0の場合は相手が切断したことを示す
        {
            printf("peer close\n");
            break;
        }

        printf("recv msg from client : %s\n", buf);

        sleep(2);

        // 6. クライアントにデータを送信 send()
        char str[] = "recved!";
        printf("send msg to client : %s\n", str);
        send(connfd, str, strlen(str), 0);
    }

    // 7. 通信終了、ソケットを閉じる close()
    close(connfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

クライアントの例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

#define IPADDR "127.0.0.1" /* サーバーのIPアドレス */
#define PORT 43866         /* サーバーのポート番号 */
#define STRING_LEN_64 64

int main()
{
    // 1. TCPソケットを作成 socket()
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    printf("sockfd = %d\n", sockfd);
    if (-1 == sockfd)
    {
        printf("fail to call socket, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
        exit(0);
    }

    // 2. ソケットを特定のIPアドレスとポート番号に接続 connect()
    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    inet_aton(IPADDR, &addr.sin_addr);
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1)
    {
        printf("fail to call connect, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
        close(sockfd);
        exit(0);
    }

    // 3. ソケットを通じてサーバーにデータを送信 send()
    char str[] = "hello world";
    printf("send msg to server : %s\n", str);
    send(sockfd, str, strlen(str), 0);

    // 4. ソケットを通じてサーバーからデータを受信 recv()
    char buf[STRING_LEN_64];
    int n = recv(sockfd, buf, STRING_LEN_64 - 1, 0);
    buf[n] = '\0';
    printf("recv msg from server : %s\n", buf);

    // 5. 通信終了、ソケットを閉じる close()
    close(sockfd);
}

コンパイルと実行

BASH

Compiling:
gcc client.c -o client
gcc server.c -o server

出力結果

BASH

$ ./server # サーバー端末でサーバーを実行
server listen on 127.0.0.1:43866
peer client address [127.0.0.1:33844]
recv msg from client : hello world
send msg to client : recved!
peer close

BASH

$ ./client # クライアント端末でクライアントを実行
sockfd = 3
send msg to server : hello world
recv msg from server : recved!

潜在的な問題

サーバープログラムは同時に1つのクライアントしか処理できません。
コードがIPv6をサポートしていません。(inetntoa, inetaton)
このプログラムにはセキュリティ対策が一切ありません。クライアントの認証や通信の暗号化が行われていないため、なりすましや盗聴などの攻撃に対して脆弱です。

解決策

select() を使用して複数のクライアントを処理します。
getaddrinfo(), ntop(), pton() を使用してIPv6をサポートします。
SSL/TLS を使用して通信を暗号化します。

シンプルなTCPサーバーとクライアントプログラム

シンプルなTCPサーバーとクライアント

プログラムの流れ図

サーバーの例

クライアントの例

コンパイルと実行

出力結果

潜在的な問題

解決策

参考資料