システムプログラム（第7回）: 受け取った文字列をそのまま返すサーバ(fork無し版)

                                       筑波大学 システム情報系 情報工学域
                                       新城 靖
                                       <yas@cs.tsukuba.ac.jp>

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http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~syspro/2023/2023-07-05/echo-server-nofork-fdopen.html
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http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~syspro/2023/
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/

echo-server-nofork-fdopen.c

TCP/IP のポート番号 7 (echo) では、受け取ったデータをそのまま返すサービスを提供している。以下は、これと同じような機能を提供するサーバである。複数の接続先（クライアント）の要求を同時に処理するために、クライアントごとに fork() システム・コールで専用の子プロセスを作る。

主要部分は、講義資料のメインのページにある。このページにあるもの、その他の細かい部分である。

print_my_host_port()

print_my_host_port() は、telnet で接続する時のヒントを表示する。

 120:	#define HOST_NAME_MAX 256
 121:	void
 122:	print_my_host_port( int portno )
 123:	{
 124:	        char hostname[HOST_NAME_MAX+1] ;
 125:	
 126:	        gethostname( hostname,HOST_NAME_MAX );
 127:	        hostname[HOST_NAME_MAX] = 0 ;
 128:	        printf("run telnet %s %d \n", hostname, portno );
 129:	}
 130:

gethostname() システムコールで自分自身のホスト名を取り出している。(正式には、gethostname() の結果とインターネット的なホスト名(IPアドレスと対応している))が一致していないことがある。

2023年6月現在、coins では、同じホスト名で IPv4 と IPv6 の両方のアドレスを登録している。多くのサービスでは、両方のアドレスでサービスを提供しているが、一報のアドレスでのみサービスを提供していることもある。そのような場合、片方のアドレスで接続を試みて時間切れを起こした後に別のアドレスで接続を試みるとしう処理が入るために、応答時間が増大することがある。

tcp_sockaddr_print()

tcp_sockaddr_print() は、自分自身のアドレス(TCP/IPの場合、IPアドレスとポート番号)を表示する。

 131:	void
 132:	tcp_sockaddr_print( int com )
 133:	{
 134:	        struct sockaddr_storage addr ;
 135:	        socklen_t addr_len ; /* MacOSX: __uint32_t */
 136:	
 137:	        addr_len = sizeof( addr );
 138:	        if( getsockname( com, (struct sockaddr *)&addr, &addr_len  )<0 )
 139:	        {
 140:	                perror("tcp_peeraddr_print");
 141:	                return;
 142:	        }
 143:	        printf("[%d] accepting (fd==%d) to ",getpid(),com );
 144:	        sockaddr_print( (struct sockaddr *)&addr, addr_len );
 145:	        printf("\n");
 146:	}
 147:

自分自身のアドレス(IPアドレスとポート番号)は、getsockname() システムコールで得られる。得たアドレスを、sockaddr_print() に渡して表示している。

tcp_peeraddr_print()

tcp_peeraddr_print() は、通信相手(peer)のアドレス(TCP/IPの場合、IPアドレスとポート番号)を表示する。

 148:	void
 149:	tcp_peeraddr_print( int com )
 150:	{
 151:	        struct sockaddr_storage addr ;
 152:	        socklen_t addr_len ; /* MacOSX: __uint32_t */
 153:	
 154:	        addr_len = sizeof( addr );
 155:	        if( getpeername( com, (struct sockaddr *)&addr, &addr_len  )<0 )
 156:	        {
 157:	                perror("tcp_peeraddr_print");
 158:	                return;
 159:	        }
 160:	        printf("[%d] connection (fd==%d) from ",getpid(),com );
 161:	        sockaddr_print( (struct sockaddr *)&addr, addr_len );
 162:	        printf("\n");
 163:	}
 164:

通信相手のアドレス(IPアドレスとポート番号)は、getpeername() システムコールで得られる。得たアドレスを、sockaddr_print() に渡して表示している。

sockaddr_print()

sockaddr_print() は、引数で与えられた struct sockaddr に含まれる IP アドレスとポート番号を画面に表示する関数である。

 165:	void
 166:	sockaddr_print( struct sockaddr *addrp, socklen_t addr_len )
 167:	{
 168:	        char host[BUFFERSIZE] ;
 169:	        char port[BUFFERSIZE] ;
 170:	
 171:	        if( getnameinfo(addrp, addr_len, host, sizeof(host),
 172:	                        port, sizeof(port), NI_NUMERICHOST|NI_NUMERICSERV)<0 )
 173:	                return;
 174:	        if( addrp->sa_family == PF_INET )
 175:	                printf("%s:%s", host, port );
 176:	        else
 177:	                printf("[%s]:%s", host, port );
 178:	}
 179:

IP アドレスは、IPv4 では、32 ビットであり、 IP アドレスは、IPv6 では、128 ビットである。ポート番号は、16 ビットである。この関数は、getnameinfo() ライブラリ関数を用いてホスト名とポート番号の文字列表現に変換している。この時、NUMERIC と指定しいるので、 IPv4 では、8ビットごと区切り、各8ビットを10進数で表記し、ドット「.」で結合する。 IPv6 では、16ビットごとに区切り、各16ビットを16進数で表記し、コロン「:」で結合する。

getnameinfo() が使われている部分では、以前は、gethostbyaddr() が使われていた。gethostbyaddr() は、IPv6 には対応していない。

tcp_acc_port()

tcp_acc_port() は、通信路の開設の仕事のうち、サーバ側で接続要求受付用ポートを作る関数である。

 180:	#define PORTNO_BUFSIZE 30
 181:	
 182:	int
 183:	tcp_acc_port( int portno, int ip_version )
 184:	{
 185:	        struct addrinfo hints, *ai;
 186:	        char portno_str[PORTNO_BUFSIZE];
 187:	        int err, s, on, pf;
 188:	
 189:	        switch( ip_version )
 190:	        {
 191:	        case 4:
 192:	                pf = PF_INET;
 193:	                break;
 194:	        case 6:
 195:	#if     !defined(IPV6_V6ONLY)
 196:	                fprintf(stderr,"Sorry, IPV6_V6ONLY is not dupported in this system.\n");
 197:	                goto error0;
 198:	#endif  /*IPV6_V6ONLY*/
 199:	                pf = PF_INET6;
 200:	                break;
 201:	        case 0:
 202:	        case 46:
 203:	        case 64:
 204:	                pf = PF_INET6; /* pf = 0; in macOS */
 205:	                break;
 206:	        default:
 207:	                fprintf(stderr,"bad IP version: %d.  4 or 6 is allowed.\n",
 208:	                        ip_version );
 209:	                goto error0;
 210:	        }
 211:	        snprintf( portno_str,sizeof(portno_str),"%d",portno );
 212:	        memset( &hints, 0, sizeof(hints) );
 213:	        ai = NULL;
 214:	        hints.ai_family   = pf ;
 215:	        hints.ai_flags    = AI_PASSIVE;
 216:	        hints.ai_socktype = SOCK_STREAM ;
 217:	        if( (err = getaddrinfo( NULL, portno_str, &hints, &ai )) )
 218:	        {
 219:	                fprintf(stderr,"bad portno %d? (%s)\n",portno,
 220:	                        gai_strerror(err) );
 221:	                goto error0;
 222:	        }
 223:	        if( (s = socket(ai->ai_family, ai->ai_socktype, ai->ai_protocol)) < 0 )
 224:	        {
 225:	                perror("socket");
 226:	                goto error1;
 227:	        }
 228:	
 229:	#ifdef  IPV6_V6ONLY
 230:	        if( ai->ai_family == PF_INET6 && ip_version == 6 )
 231:	        {
 232:	                on = 1;
 233:	                if( setsockopt(s,IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY,&on,sizeof(on)) < 0 )
 234:	                {
 235:	                        perror("setsockopt(,,IPV6_V6ONLY)");
 236:	                        goto error1;
 237:	                }
 238:	        }
 239:	#endif  /*IPV6_V6ONLY*/
 240:	
 241:	        if( bind(s,ai->ai_addr,ai->ai_addrlen) < 0 )
 242:	        {
 243:	                perror("bind");
 244:	                fprintf(stderr,"Port number %d\n", portno );
 245:	                goto error2;
 246:	        }
 247:	        on = 1;
 248:	        if( setsockopt( s, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on) ) < 0 )
 249:	        {
 250:	                perror("setsockopt(,,SO_REUSEADDR)");
 251:	                goto error2;
 252:	        }
 253:	        if( listen( s, 5 ) < 0 )
 254:	        {
 255:	                perror("listen");
 256:	                goto error2;
 257:	        }
 258:	        freeaddrinfo( ai );
 259:	        return( s );
 260:	
 261:	error2:
 262:	        close( s );     
 263:	error1:
 264:	        freeaddrinfo( ai );
 265:	error0:
 266:	        return( -1 );
 267:	}
 268:

この関数の引数は、ポート番号(整数値)と IP のバージョン(4、6、46、64、または0の整数値)を取る。まず、IPのバージョンに応じて、Protocol Family (PF_) を選択している。 socket() の引数で、PF_INET/PF_INET6 の変りに、AF_INET/AF_INET6 と書いてもよい。ここでは、Protocol を選んでいるので、PF_ が正しいが、実際には、 PF_INET と AF_INET は同じであり、また、多くの教科書で混在されて使われいる。

次に、getaddrinfo() を使って、socket() システム・コール、および、 bind() システム・コールに渡すためのパラメタを整えている。 hints.ai_family には、 PF_INET か PF_INET6 を設定している。 hints.ai_socktype に SOCK_STREAM を設定している。これにより、TCP を意味する。ポート番号は、引数で与えられたもの(を、文字列に変換したもの)を指定している。

hints.ai_flags には、AI_PASSIVE を指定し、 getaddrinfo() の第一引数として NULL を指定している。複数の IP アドレスがある時には、どれに要求が来ても受け付ける。特定の IP アドレスを指定すると、そのアドレスに来た要求だけを受け付けるようになる。IPv4 の時代には、IPアドレスとして INADDR_ANY という定数を指定することが一般的であった。

次に、クライアント側と同様に、ソケットを、socket() システムコールで作成している。 PF_INET と SOCK_STREAMの組み合わせまたは、 PF_INET6 と SOCK_STREAMの組み合わせなので、TCP を使うことを意味する。

IPv6 の場合(ip_version==6の場合)、setsockopt() で IPV6_V6ONLY というオプションを有効にしている。これで、IPv6 が指定された時には、IPv6 のみで接続要求を受け付ける。このオプションをつけないと、 IPv4 でも要求を受け付ける。この場合、クライアントのアドレスは、 IPv4射影アドレス（IPv4-mapped address）になる。

ソケットが作成できたら、bind() システムコールで、サーバ側で利用するアドレス(IPアドレスとポート番号)を設定する。IP アドレスとポート番号は、 getaddrinfo() で返されたものを使っている。

次に、setsockopt() で、SO_REUSEADDR オプションを設定している。これにより、同じ IP アドレスとポート番号で(連続して)サービスを提供することがやりやすくなる。ただし、可能性は低いが、前のプロセスと新しいプロセスで、通信内容が混じってしまう危険性がある。

次に、listen() システムコールにより、要求受け付けを開始する。第２引数は、最大何個のクライアントを接続要求待ちで待たせるか（待ち行列の長さ）を指定する。重たいサーバを設計する時には、キューの長さを調節する。Apache (WWW サーバ) などでは、500 程度になっていることがある。

注意：このプログラムには複数のクライアントに対してサービスを同時に提供できないという問題がある。

IPv4射影アドレス（IPv4-mapped address）

IPv6 が有効なホストは、IPv4 のホストからの接続された時にIPv4射影アドレスでアクセス可能になっててることがある。たとえば、次のホストを考える。

$ host azalea16.coins.tsukuba.ac.jp 
azalea16.coins.tsukuba.ac.jp has address 130.158.231.16
azalea16.coins.tsukuba.ac.jp has IPv6 address 2001:2f8:3a:1711::231:16
$ hostname 
azalea16
$ ifconfig enp0s31f6 
enp0s31f6: flags=4163  mtu 1500
        inet 130.158.231.16  netmask 255.255.254.0  broadcast 130.158.231.255
        inet6 fe80::6e3c:8cff:fe16:82f2  prefixlen 64  scopeid 0x20
        inet6 2001:2f8:3a:1711::231:16  prefixlen 64  scopeid 0x0
        ether 6c:3c:8c:16:82:f2  txqueuelen 1000  (イーサネット)
        RX packets 2748591  bytes 889438993 (889.4 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 1040201  bytes 536689353 (536.6 MB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 19  memory 0x70800000-70820000

$ ip addr show dev enp0s31f6 
3: enp0s31f6:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 6c:3c:8c:16:82:f2 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 130.158.231.16/23 brd 130.158.231.255 scope global noprefixroute enp0s31f6
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 2001:2f8:3a:1711::231:16/64 scope global noprefixroute
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::6e3c:8cff:fe16:82f2/64 scope link noprefixroute
       valid_lft forever preferred_lft forever
$

このホストは、次の IP アドレスを持っている。

IPv4: 130.158.231.16
IPv6: 2001:2f8:3a:1711::231:16
(IPv6: fe80::6e3c:8cff:fe16:82f2)

サーバで PF_INET (IPv4) でソケットを作成すると、次の IP アドレスでサービスを提供することになる。

IPv4: 130.158.231.16

PF_INET6 (IPv6) でソケットを作成すると、次のようなアドレスでサービスを提供することになる。

IPV6_V6ONLYを有効にした時: IPv6: 2001:2f8:3a:1711::231:16
IPV6_V6ONLYを有効にしなかった時: IPv6: 2001:2f8:3a:1711::231:16, IPv4: 130.158.231.16 (==IPv6: ::ffff:130.158.231.16)

IPV6_V6ONLYを有効にしなかった時は、 PF_INET6 でありながら、IPv4 でもサービスを提供することになる。

次の例では、echo-server-nofork-fdopen は、IPv4 のホストから接続要求を受け付けている。IPv6 のサーバは、::ffff で始まるIPv4射影アドレスからアクセスされたものとしてサービスを提供している。

$ ./echo-server-fork-fdopen 1231 
run telnet azalea16 1231 
[631651] accepting (fd==3) to [::]:1231
[631651] accepting incoming connections (acc==3) ...
[631651] connection (fd==4) from [::ffff:130.158.231.16]:55366
[631651] accepting incoming connections (acc==3) ...
[632001] received (fd==4) 5 bytes, [abc
]
[632001] received (fd==4) 5 bytes, [def
]
[632001] received (fd==4) 5 bytes, [ghi
]
[632001] connection (fd==4) closed.
^C
$

クライアント側は、IPv4 でアクセスしている。

$ host azalea16.coins.tsukuba.ac.jp 
azalea16.coins.tsukuba.ac.jp has address 130.158.231.16
azalea16.coins.tsukuba.ac.jp has IPv6 address 2001:2f8:3a:1711::231:16
$ telnet -4 azalea16.coins.tsukuba.ac.jp 1231 
Trying 130.158.231.16...
Connected to azalea16.coins.tsukuba.ac.jp.
Escape character is '^]'.
abc
abc
def
def
ghi
ghi
^]
telnet> quit
Connection closed.
$

このように、IPv6 で意図せず IPv4 でもサービスを提供するとセキュリティ上の問題が生じることがある。たとえば、あるホストからのアクセスを禁止しようとして、通常の IPv6 のアドレスで禁止する設定をしていたとしても、 IPv4 からアクセスされた時にはIPv4射影アドレスを通じて接続を許可してしまうことがある。

fdopen_sock()

fdopen_sock() は、TCP/IP による通信を、fprintf(), fgets(), fread() 等で行えるようにする関数である。この関数は、クライアント側とまったく同じである。

Last updated: 2023/06/21 16:51:25

Yasushi Shinjo / <yas@cs.tsukuba.ac.jp>