【図解あり】ソケット通信の仕組みについてわかりやすく解説！

こちらの記事では、ソケット通信についての仕組みを図解でわかりやすく解説します。

ソケットとは

まずソケット（socket）とは、受け口、軸受け、電球受けという意味を持ちますが、ざっくり言えば「電球に電気を通すための境界」と言えます。

ソフトウェアの領域においては、アプリケーション同士がデータを通信するためにソケットにデータを流し込むという仕組みがあります。

たとえば、このようにして Web ページで記事を見ている今でも、その裏側でソケット通信が行われています。

ソケット通信とは

ソケット通信を理解するにあたって、必要となる前提知識があるので、次の項目をかならず押さえておきましょう。

• TCP/IP モデルポート番号 IP アドレス
• クライアントサーバモデルクライアントサーバ
• API インターフェース

これらの前提知識をもとにして「ソケット・ソケット通信とは」というまとめを行います。

TCP/IP モデルについて

TCP/IP モデルとは、インターネットにおける、標準的な プロトコルスタックです。プロトコルスタックとは、コンピュータが通信するために必要なプロトコルの階層のことです。

プロトコルとは、データを通信をするうえでの約束事・規約のことです。TCP/IPモデルを理解する上では、OSI参照モデルについても理解しておいた方が良いでしょう。OSI参照モデルについては、別の記事にて解説しています。

https://envader.plus/article/38

コンピュータは、データ通信を実現するにあたり、厳格にデータを取り扱う必要があります。たとえば、今回関係する部分で具体例を挙げます。

• ポート番号は 16bit
• IP アドレス（IPv4）は 32bit

このような事細かな取り決めが、IETFという組織が策定するRFCという文書によって、何千もの仕様として定められています。もう少し具体的な実例で、TCP/IP モデルについて考えてみましょう。

たとえば、パソコンで Web サーフィンをするとき、Chrome などの Web ブラウザで Youtube を見たり、Twitter を眺めたりします。このとき、上位からHTTP（HTTPS）、TCP、IP、Ethernetといった階層化されたプロトコルを利用しており、次の図のような形でまとめることができます。

TCP/IP モデルは、図の通り 4 階層で構成されていて、上位から次のようにレイヤが分かれます。

その他にも、envader.plus のようなドメイン名から、34.111.64.3 という IP アドレスを求めるためには、次のようなプロトコルを利用します。

このようにして、日常生活においてコンピュータで何らかのソフトウェアを利用してデータをやり取りするとき、必ず TCP/IP モデルを利用していると言えます。なかでも特に注目したいのは、TCP/IP モデルのなかでも、トランスポート層、インターネット層の 2 つです。それぞれの階層で指定することがあります。

この記事で、最終的に Python でサンプルプログラムを作るにあたって、特に重要なポート番号とIP アドレスについて説明します。ポート番号とは、コンピュータ通信においてOS 上で動作しているプログラムを識別するための番号です。この OS 上のプログラムをプロセスといいます。プロセスとはコンピュータのメモリ上にあるプログラムの実体のことです。実際にコンピュータ上で動いているプロセスを確認してみましょう

Windows を使っている方は、コマンドプロンプトを起動して、次のコマンドを打ちこんでみてください。

> tasklist

Linux を使っている方は、ターミナルを起動して、次のコマンドを打ちこんでみてください。

ps -aux

実行結果がずらっと並びますが、それがコマンド実行時に、OS が実行しているプロセスの一覧です。

PIDという項目がありますが、それはプロセス ID を意味しており、このPIDによって OS がプロセスを識別しています。

ご覧の通り、プロセスとはコンピュータ上では数えきれないほどたくさん動いています。

そのため、プログラム同士が通信するためには、「どのプロセスにどのデータを送ればいいか」をポート番号で明示する必要があります。

では、実際にコンピュータのプログラムが通信していることも確認しておきましょう。

Windows を使っている方は、コマンドプロンプトを起動して、次のコマンドを打ちこんでみてください。

netstat -a

Linux を使っている方は、ターミナルを起動して、次のコマンドを打ちこんでみてください。

sudo apt update
# ユーザのパスワードを入力してください
sudo apt install net-tools
netstat -a

今回このコマンドの実行結果において、重要な点はローカルアドレス(Local Address)と外部アドレス(Foreign Address)の 2 点です。

IPアドレスについては、別の記事で解説しています。

https://envader.plus/article/51

それぞれ送信元アドレスと宛先アドレスという意味で、IP アドレス:ポート番号という対応で書かれています。次の例では、ローカルアドレスは 192.168.0.1:32541、外部アドレスは 34.111.64.3:80 としています。

IP アドレスでコンピュータを識別できますが、それよりも内側の、コンピュータのどのプログラムのデータかまでは分かりません。そのため、プロセスにデータを届けるためには、ポート番号をもとにデータの宛先を識別することになります。

ちなみに、ゲートウェイとは一般的には、ルータを指します。

ルータではLAN（Local Area Network）で使用するプライベート IP アドレスと、インターネットで使用するグローバル IP アドレスが、PAT（Port Address Translation）によってポート番号とともに対応付けて変換されています。

したがって、サーバ側のゲートウェイのインターフェースでは 34.111.64.3:80 を受け取っていますが、サーバに送るために 10.10.10.67:60001 に置き換えられます。

LAN（Local Area Network）については、以下のリンクよりご覧ください。

https://envader.plus/article/49

クライアントサーバモデルについて

クライアントサーバモデルとは、ソフトウェアアーキテクチャのひとつです。

ここでいうクライアントとは、ソフトウェアを利用するコンピュータやソフトウェアを指します。

たとえば、HTTP クライアントというとき、それは Web ブラウザや、Web ブラウザを起動している PC・スマホなどの端末を指します。

そしてサーバとは、ソフトウェアを提供するコンピュータやソフトウェアを指します。たとえば、Web サーバというとき、それは nginx や Apache HTTP Server、またはそれらを搭載したコンピュータなどを指します。

上の図のように、クライアントとサーバが通信を行う流れは次のようになります。

1. クライアントがサーバにリクエストを送る
2. サーバが受け取ったリクエストをもとにレスポンスを返す
3. クライアントがサーバからのレスポンスを受け取る

つまり、上記の例になぞらえると HTTP クライアントが Web サーバにリクエストを送り、Web サーバが HTTP クライアントにレスポンスを返すということです。これは先ほどの TCP/IP モデルで話した内容を織り交ぜると、次のようにまとめられます。

上の図のように、HTTP クライアントと Web サーバの通信では、データは次の経路をたどります。

HTTP クライアントがリクエストを送るとき、それぞれの階層でヘッダを付加します。これをカプセル化といいます。

Web サーバがリクエストを受けるとき、それぞれの階層でヘッダを取り外します。これを非カプセル化といいます。

API について

APIとは、アプリケーション・プログラミング・インターフェース（Application Programming Interface）の略です。インターフェースとは、異なる 2 つのものをつなぐときの境界面、もしくは接点という意味です。抽象的に言えば、ライブラリやフレームワークの関数もインターフェースに含まれます。たとえば、次の Python プログラムを見てみましょう。

print("Hello world!")

ここでやっているのは「print 関数というインターフェースを、”Hello world!”という文字列を渡して呼び出すこと」です。

そうすれば、あとは print 関数の処理を委ねるだけです。ちなみに、print 関数は、引数に受け取った文字列を、標準出力に表示します。もし print 関数を利用しないでこの機能を実現する場合は、一から自分でそのプログラムを書かなければいけません。それはとても非効率的なので、実現できる機能があれば、必ずライブラリや組み込み関数などのインターフェースを利用します。

つまり、プログラミングでは、すでに API として使える処理は API に利用することで簡単に実装できます。そして、多くの場合、既存の API を自分で書きなおすよりも、API を利用する方がバグは少ないので、わざわざ実務において再実装をすることはありません。

「使用するメモリをもっと減らしたい」とか「実行時間をさらに短くしたい」など、既存の API よりも実行効率を良くしたいときに、はじめて API を再実装することになります。

ソケット・ソケット通信とは

では、「ソケットとは何か」というと、クライアントサーバモデルにおける通信のインターフェースです。そして、「ソケット通信」とは、このソケットを用いた通信のことです。TCP/IP モデルでいうと、トランスポート層であり、イメージとしては、次のようになります。

この記事のサンプルプログラムでは、実際に Python のソケット API を扱います。

プログラムからソケットにデータを流し込めば、自動的に通信相手のプログラムにデータが送られるという仕組みになります。すなわち、ソケット API を利用することで、1 からネットワークの通信部分のプログラムを書かなくていい、ということです。

ソケット通信の仕組みについて

クライアントサーバモデルでソケット通信を実現するときには、クライアントとサーバの両方にソケットを用意します。それぞれサーバとクライアントで、ソケットを利用する過程を頭に入れておきましょう。TCP 通信を想定しています。

ソケットの作成

サーバ、クライアントでそれぞれ、socket.socket()を実行しソケットオブジェクトを作成します。

作成したソケットと IP・ポート番号の紐づけ

サーバでsocket.bind()を実行し、サーバの IP アドレスと、利用するポート番号を、ソケットに結び付けます。

ソケット間でのデータの送受信

サーバでsocket.listen()、socket.accept()、socket.send() を実行し、

1. サーバでsocket.listen()を実行し、リクエスト待ちの状態にする。
2. クライアントでsocket.connect() を実行し、サーバにリクエストを送る。
3. サーバでsocket.accept() を実行し、クライアントのリクエストを受信する。
4. サーバでsocket.send() を実行し、クライアントにレスポンスを送る。
5. クライアントでsocket.recv()を実行し、レスポンス受信する。

ソケットの削除

サーバ、クライアントでそれぞれ、socket.close()を実行しソケットオブジェクトを作成します。

Python でサンプルプログラミングを書いてみましょう

実際に Python プログラムで、TCP と UDP のソケット通信を実装していきます。今回は、WSL2（Ubuntu22.04）の環境を前提とします。

Pythonの環境構築については、別の記事にて解説しています。

https://envader.plus/course/8/scenario/1071

クライアントサーバモデルを利用するにあたって、2 台のコンピュータが必要かと思われますが、じつはそれぞれ同じコンピュータ上にサーバ・クライアントのプログラムを実装することができます。

これはクライアントとサーバで、ポート番号とプロセスが異なるからこそ実現できるということを、改めて理解しておきましょう。

では、サーバ・クライアントのそれぞれのファイルを用意して、コードを編集・保存後にコマンドを実行して、サーバ、クライアントの順にプログラムを起動します。サーバでは、5 回リクエストを受け付けた場合、自動的にソケットを削除するようにプログラムしています。

クライアントのプログラムを実行することで、サーバ・クライアントはそれぞれリクエスト・レスポンスを送受信します。

Python で TCP 通信を実装する

server_tcp.py

import socket

# socket.socket(): ソケットオブジェクトの作成
# AF_INET: アドレスファミリ（使うアドレスの種類がまとめられたもの）のうち、IPv4を指定する
# SOCK_STREAM: TCPプロトコルを指定
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# socket.bind(): IPアドレスとポート番号を作成したソケットオブジェクトに紐づける
# 127.0.0.1: ローカルホストを指定する
# 60001: ポート番号のうち60001を指定する（待ち受けポート）
s.bind(('127.0.0.1', 60001))

# socket.listen(): クライアントからの入力待ち状態になる
# 1: 並列的に処理できるリクエスト数を1つに指定する
s.listen(1)

count = 0
while count < 5:
    # socket.accept(): クライアントからの接続を受け付ける
    # conn: 新しく作成したソケットオブジェクト
    # addr: 受信したIPアドレス
    conn, addr = s.accept()

    # サーバの標準出力に文字列を出す
		# addr: (クライアントのIPアドレス, クライアントのポート番号)
    print(f'Source IP Address: {addr}')

    # クライアントのソケットにデータを送信する
    conn.send(b'Hello World!')

    # クライアントのソケットオブジェクトを削除する
    conn.close()
    count += 1

# サーバのソケットを削除する
s.close()

WSL2

python3 server_tcp.py

client_tcp.py

import socket

# ホストのソケットオブジェクトの作成
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# サーバにリクエストを送る
# 127.0.0.1: サーバのIPアドレス
# 60001: サーバが待ち受けするポートを指定する
s.connect(('127.0.0.1', 60001))

# サーバからデータを受信する
data = s.recv(4096)

# クライアントの標準出力に受信したデータを表示する
print(data)

# クライアントのソケットを削除する
s.close()

WSL2

python3 client_tcp.py

TCP はコネクション指向のため、かりにサーバがソケットを削除したあとに、クライアントがリクエストすると、エラーが起きます。

Python で UDP 通信を実装する

server_udp.py

import socket

# SOCK_DGRAM: UDPプロトコルを指定する
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind(('127.0.0.1', 60002))

count = 0
while count < 5:
		# クライアントからデータを受信する
    data, addr = s.recvfrom(4096)
		# クライアントから受信したデータと、クライアントのIPアドレス、ポート番号をそれぞれ表示する
    print(data, addr)
    count += 1

s.close()

WSL2

python3 server_udp.py

client_udp.py

import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# サーバを指定して、"Hello Server!"という文字列を送る
s.sendto(b'Hello Server!', ('127.0.0.1', 60002))

WSL2

python3 client_udp.py

UDP はデータグラム指向のため、かりにサーバがソケットを削除したあとに、クライアントがリクエストしても、エラーは起きません。

【補足】TCP と UDP の違いについて

TCP と UDP の大きな違いには、信頼性・早さの 2 つがあり、それぞれ次のような特徴になります。

まとめ

ソケット通信について学ぶなかで、ネットワーク、サーバ・OS、プログラミングというそれぞれの領域を横断しました。これらのつながりを一気貫通して理解することで、プログラミングだけでなくインフラについて学ぶ必要性を知ることができます。

この記事でソケット通信について解説した内容をまとめます。

1. ソケットは TCP/IP モデルにおけるトランスポート層である
2. ソケット通信の流れは、ソケットの作成、作成したソケットと IP・ポート番号の紐づけ、ソケット間でのデータの送受信、ソケットの削除となる
3. ソケット通信は、プログラムから API を呼び出して実装する