[C#][Server] 2. Non-Blocking 함수를 이용한 소켓 프로그래밍

January 11, 2025

C# Socket Programming TIL: 비동기 Accept와 Listener 클래스 구현

이번 시간에는 Listener 클래스를 도입하고, Accept 기능을 비동기(non-blocking) 방식으로 변경하였다.

1. 진행 상황

Listener 클래스 추가: 소켓의 listen() 역할을 처리하는 Listener 클래스를 통해 코드의 모듈화.
비동기 Accept 처리: AcceptAsync()와 SocketAsyncEventArgs를 사용하여 비동기 연결 수락 방식을 도입.

2. 비동기 리스너의 핵심 개념

비동기 방식의 Accept

AcceptAsync()를 사용하여 클라이언트 연결 요청을 비동기적으로 처리힌다.
이벤트 기반 콜백 구조를 사용하여 요청과 완료 시점을 분리할 수 있다.

Listener 객체

Listener 클래스는 서버의 listen() 역할을 담당하는 객체이다.

역할: 클라이언트의 연결 요청을 받고 이를 처리하는 핸들러를 호출한다.
비동기 처리: SocketAsyncEventArgs를 사용하여 비동기 Accept 작업을 관리한다.

3. 코드 분석

1) 클라이언트 코드 (DummyClient)

using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

namespace DummyClient
{
    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            string host = Dns.GetHostName();
            IPHostEntry ipHost = Dns.GetHostEntry(host);
            IPAddress ipAddr = ipHost.AddressList[0];
            IPEndPoint endPoint = new IPEndPoint(ipAddr, 7777);

            while (true)
            {
                Socket socket = new Socket(endPoint.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                try
                {
                    socket.Connect(endPoint);
                    Console.WriteLine($"서버 {socket.RemoteEndPoint}에 연결됨");

                    byte[] sendBuff = Encoding.UTF8.GetBytes("Hello World!");
                    socket.Send(sendBuff);

                    byte[] recvBuff = new byte[1024];
                    int recvBytes = socket.Receive(recvBuff);
                    string recvData = Encoding.UTF8.GetString(recvBuff, 0, recvBytes);
                    Console.WriteLine($"[From Server] {recvData}");

                    socket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                    socket.Close();
                }
                catch (Exception e)
                {
                    Console.WriteLine($"클라이언트 오류: {e}");
                }

                Thread.Sleep(1000);
            }
        }
    }
}

2) 서버 코드 (ServerCore)

using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

namespace ServerCore
{
    class Program
    {
        static Listener _listener = new Listener();

        static void OnAcceptHandler(Socket clientSocket)
        {
            try
            {
                byte[] recvBuff = new byte[1024];
                int recvBytes = clientSocket.Receive(recvBuff);
                string recvData = Encoding.UTF8.GetString(recvBuff, 0, recvBytes);
                Console.WriteLine($"[From Client] {recvData}");

                byte[] sendBuff = Encoding.UTF8.GetBytes("Welcome to Server !");
                clientSocket.Send(sendBuff);

                clientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                clientSocket.Close();
            }
            catch (Exception e)
            {
                Console.WriteLine($"서버 오류: {e}");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            string host = Dns.GetHostName();
            IPHostEntry ipHost = Dns.GetHostEntry(host);
            IPAddress ipAddr = ipHost.AddressList[0];
            IPEndPoint endPoint = new IPEndPoint(ipAddr, 7777);

            _listener.Init(endPoint, OnAcceptHandler);
            Console.WriteLine("서버가 클라이언트를 기다리고 있습니다...");

            while (true)
            {
                ;
            }
        }
    }
}

3) Listener 클래스 구현 (ServerCore)

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;

namespace ServerCore
{
    class Listener
    {
        Socket _listenSocket;
        Action<Socket> _onAcceptHandler;

        public void Init(IPEndPoint endPoint, Action<Socket> onAcceptHandler)
        {
            _listenSocket = new Socket(endPoint.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
            _onAcceptHandler = onAcceptHandler;

            _listenSocket.Bind(endPoint);
            _listenSocket.Listen(10);

            SocketAsyncEventArgs args = new SocketAsyncEventArgs();
            args.Completed += new EventHandler<SocketAsyncEventArgs>(OnAcceptCompleted);
            RegisterAccept(args);
        }

        void RegisterAccept(SocketAsyncEventArgs args)
        {
            args.AcceptSocket = null;
            bool pending = _listenSocket.AcceptAsync(args);
            if (!pending)
                OnAcceptCompleted(null, args);
        }

        void OnAcceptCompleted(object sender, SocketAsyncEventArgs args)
        {
            if (args.SocketError == SocketError.Success)
            {
                _onAcceptHandler.Invoke(args.AcceptSocket);
            }
            else
            {
                Console.WriteLine($"에러: {args.SocketError}");
            }

            RegisterAccept(args);
        }
    }
}

4. 주요 개념 및 역할

용어	설명
`Listener`	소켓 `Listen()` 호출을 통해 연결 요청을 수신하고 이를 처리하는 클래스
`RegisterAccept()`	새로운 연결 수신을 비동기적으로 등록
`OnAcceptCompleted()`	연결이 완료되었을 때 호출되는 메서드
`SocketAsyncEventArgs`	비동기 소켓 작업에 대한 이벤트 데이터를 제공하는 클래스
`AcceptAsync()`	비동기적으로 클라이언트의 연결 요청을 처리
`args.AcceptSocket`	클라이언트와의 연결된 소켓. (재사용 시 안전하게 초기화해야 한다.)

비동기 소켓 처리 구조

RegisterAccept() 호출: 비동기 수신을 등록한다.
AcceptAsync() 호출: 비동기 수신 요청을 보낸다.
연결 완료 시 OnAcceptCompleted() 호출: 요청이 처리되면 클라이언트 소켓을 받아 핸들러를 호출한다.
반복 처리: 한 번 수신 완료 후 다시 RegisterAccept()를 호출해 지속적으로 연결을 처리합니다.

마치 낚시대를 처음에 던지고, 물고기가 낚였을 때 낚시대를 다시 한번 던져주는 느낌

5. 고려해야 할 사항

무한 반복 시 스택 오버플로우: RegisterAccept() 내에서 pending이 계속 false라면, RegisterAccept()와 OnAcceptCompleted()가 꼬리를 물며 반복되는 구조로 인해 스택 오버플로우가 발생할 수 있다. 이론적으로는 그러나 악의적인 공격 없이는 현실적으로 발생하기 힘들다. 찝찝하다면 수정을 고려해볼 수 있겠다.

클라이언트 수용 확장: 동시에 많은 클라이언트를 처리하기 위해 SocketAsyncEventArgs 인스턴스를 반복문으로 여러 개 등록할 수 있다. 이는 낚싯대를 여러 개 사용하는 것과 비슷한 개념이다.

  // 기존 코드
  SocketAsyncEventArgs args = new SocketAsyncEventArgs();
  args.Completed += new EventHandler<SocketAsyncEventArgs>(OnAcceptCompleted);
  RegisterAccept(args);
    
  // 확장된 코드
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
      SocketAsyncEventArgs args = new SocketAsyncEventArgs();
      args.Completed += new EventHandler<SocketAsyncEventArgs>(OnAcceptCompleted);
      RegisterAccept(args);
  }

멀티스레드 환경: AcceptAsync()는 내부적으로 다른 스레드를 사용해 작업을 처리하므로, OnAcceptCompleted()는 멀티스레드 환경에서 실행된다. 따라서 공용 자원에 접근할 때, lock을 사용하는 등으로 레이스 컨디션을 방지해야 한다.

6. 실행 결과

더미 클라이언트에서 반복문으로 여러번 접속 요청을 시도하게 하였다. 따라서 연결 성공 메세지가 반복적으로 뜨게 된다.

서버 콘솔 출력

서버가 클라이언트를 기다리고 있습니다...
[From Client] Hello World!
[From Client] Hello World!
[From Client] Hello World!
...

클라이언트 콘솔 출력

서버 [~~~~]:7777에 연결됨
[From Server] Welcome to Server !
서버 [~~~~]:7777에 연결됨
[From Server] Welcome to Server !
서버 [~~~~]:7777에 연결됨
[From Server] Welcome to Server !
...

6. 마무리

비동기 소켓 프로그래밍을 통해 프로그램의 응답성을 유지하면서도 다중 클라이언트 연결을 처리할 수 있다. SocketAsyncEventArgs의 AcceptSocket를 안전하게 재사용하기 위해 null로 꼭 초기화해주자. 또한 멀티스레드 환경에서는 동기화 문제를 고려하여 안전하게 공용 자원을 처리해야 한다.

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🌵Lacoruna