Python에서 멀티캐스트 프로그래밍

출처 : https://huichen-cs.github.io/course/CISC7334X/20FA/lecture/pymcast/

Python에서 멀티캐스트 프로그래밍

차례

• 소개
• IPv4 멀티캐스트 주소
• UDP 데이터그램 멀티캐스트
• 프로그램 예시와 실험 환경
  • 전송 프로그램 (mcastsend.py)
  • 수신 프로그램 (mcastrecv.py)
  • 시연
    • 가정
    • 시연 실행하기
    • 출력
  • 연습과 탐색

소개

통신 패턴을 설명하는 몇 가지 용어가 있습니다. 이러한 용어는 모두 "-cast"로 끝나고 유니캐스트, 브로드캐스트, 멀티캐스트, 애니캐스트 및 지오캐스트를 포함합니다. 여기서는 단일 패킷의 복사본을 가능한 모든 대상의 선택된 하위 집합으로 전달하는 기술인 멀티캐스트에 특히 관심이 있습니다. TCP/IP는 멀티캐스트를 지원합니다. 여기서 우리의 목표는 TCP/IP 프로토콜 스택에서 멀티캐스트의 개념을 설명하기 위해 기초적인 Python 프로그램을 작성하는 것입니다.

IPv4 멀티캐스트 주소

IP 주소에는 몇 가지 범주가 있습니다. 멀티캐스트 주소는 범주입니다. 224.0.0.0/4 범위의 모든 IPv4 주소는 그룹, 즉 우리가 패킷을 전달할 모든 가능한 호스트의 선택된 하위 집합을 정의하는 멀티캐스트 주소입니다. 이 "224.0.0.0/4"와 같은 IP 주소 범위는 소위 CIDR 표기법에 있습니다. 이 특별한 경우 기본적으로 최상위 4비트(또는 4비트 접두사)가 224.0.0.0과 동일한 모든 IPv4 주소가 이 범위에 있음을 의미합니다. (수학적 경사?의 경우 224.0.0.0/4는 {a|∀a,a∧f0000000_h ≡ f0000000_h} 다음의 IPv4 주소 집합을 정의합니다.

UDP 데이터그램 멀티캐스트

TCP/IP 프로토콜 스택에서 UDP는 데이터그램 멀티캐스트 서비스를 실현합니다.

프로그램 예시와 실험 환경

여기 UDP 데이터그램 멀티캐스트 예시는 두개의 파이썬 프로그램으로 구성됩니다. mcastsend.py는 전송 프로그램이며 mcastrecv.py는 수신 프로그램 입니다. 우리는 4개의 가상 머신을 사용하여 멀티캐스트 개념을 시연하기 위해 프로그램을 실행합니다.

전송 프로그램 (mcastsend.py)

import socket
import sys

def help_and_exit(prog):
    print('Usage: ' + prog + ' host_ip mcast_group_ip mcast_port_num message',
        file=sys.stderr)
    sys.exit(1)

def mc_send(hostip, mcgrpip, mcport, msgbuf):
    # UDP 소켓을 생성한다
    sender = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM, \
            proto=socket.IPPROTO_UDP, fileno=None)
    # 멀티캐스트 (멀티캐스트 그룹 IP 주소, 전송할 포트 번호) 짝인 엔드 포인트를 정의한다.
    mcgrp = (mcgrpip, mcport)

    # 멀티캐스트 데이터그램이 얼마나 많은 홉(hop)을 여행할 수 있는지 정의한다.
    # IP_MULTICAST_TTL를 따로 정의하지 않는다면 기본 값은 1이다. 
    sender.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_MULTICAST_TTL, 1)

    # 멀티캐스트 데이터그램 전송을 담당하는 네트워크 인터페이스(NIC)를 정의합니다.
    # 그렇지 않으면 소켓은 기본 인터페이스를 사용합니다. (루프백이 0이면 ifindex = 1)
    # 데이터그램을 여러 NIC로 전송하려면 각 NIC에 대한 소켓을 만들어야 합니다.
    sender.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_MULTICAST_IF, \
         socket.inet_aton(hostip))

    # 버퍼에서 데이터그램을 전송합니다
    sender.sendto(msgbuf, mcgrp)

    # 소켓 자원을 해제합니다 
    sender.close()


def main(argv):
    if len(argv) < 5:
        help_and_exit(argv[0])

    hostipaddr = argv[1]
    mcgrpipaddr = argv[2]
    mcport = int(argv[3])
    msg = argv[4]

    mc_send(hostipaddr, mcgrpipaddr, mcport, msg.encode())

if __name__=='__main__':
    main(sys.argv)

수신 프로그램 (mcastrecv.py)

import sys
import socket
import struct


def help_and_exit(prog):
    print('Usage: ' + prog + ' from_nic_by_host_ip mcast_group_ip mcast_port')
    sys.exit(1)

def mc_recv(fromnicip, mcgrpip, mcport):
    bufsize = 1024

    # UDP 소켓을 생성한다
    receiver = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM, \
            proto=socket.IPPROTO_UDP, fileno=None)

    # 멀티캐스트 (멀티캐스트 그룹 IP 주소, 전송할 포트 번호) 짝인 엔드 포인트로부터 
    # 전송된 데이터그램을 수신하기 위한 소켓을 설정한다.
    # 이 소켓은 전송 프로그램의 짝과 매칭 되어야 한다.
    bindaddr = (mcgrpip, mcport)
    receiver.bind(bindaddr)

    # 소켓을 의도한 멀티캐스트 그룹에 조인합니다. 그 의미는 두 가지입니다.
    # 멀티캐스트 IP 주소에 의해 식별되는 의도된 멀티캐스트 그룹을 지정합니다.
    # 또한 어떤 네트워크 인터페이스에서 (NIC) 소켓은 의도한 멀티캐스트 그룹에 대한 데이터그램을 수신합니다.
    # socket.INADDR_ANY는 시스템의 인터페이스(ifindex = 루프백 인터페이스가 있는 경우 1)에서 
    # 기본 네트워크를 의미한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
    # 여러 NIC에서 멀티캐스트 데이터그램을 수신하려면
    # 각 NIC용 소켓을 생성해야 합니다. 또한 할당된 IP 주소로 NIC를 식별합니다.
    if fromnicip == '0.0.0.0':
        mreq = struct.pack("=4sl", socket.inet_aton(mcgrpip), socket.INADDR_ANY)
    else:
        mreq = struct.pack("=4s4s", \
            socket.inet_aton(mcgrpip), socket.inet_aton(fromnicip))
    receiver.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_ADD_MEMBERSHIP, mreq)

    # 메세지를 수신한다
    buf, senderaddr = receiver.recvfrom(1024)
    msg = buf.decode()

        # 자원을 해제한다
        receiver.close()

    return msg

def main(argv):
    if len(argv) < 4:
        help_and_exit(argv[0])

    fromnicip = argv[1] 
    mcgrpip = argv[2]
    mcport = int(argv[3])


    msg = mc_recv(fromnicip, mcgrpip, mcport)
    print(msg)

if __name__=='__main__':
    main(sys.argv)

시연

가정

편의를 위해 4개의 리눅스 가상 머신을 다음처럼 이름을 만들고 다음 표에 주어진 IPv4 주소가 있다고 가정합니다.

호스트 이름	IPv4 주소
eastny	192.168.56.1
midwood	192.168.56.3
flatbush	192.168.56.4
bushwick	192.168.56.5

두 개의 멀티캐스트 그룹이 있다고 가정합니다.

IPv4 멀티캐스트 그룹 1	IPv4 멀티캐스트 그룹 2
224.1.1.5	234.3.2.1

전송자는 엔드 포인트를 식별하고 UDP를 사용하기로 결정하였고 4개의 호스트로 다음처럼 두 개의 프로그램을 배포합니다.

호스트	프로그램
midwood	mccastsend.py
eastny	mccastrecv.py
flatbush	mccastrecv.py
bushwick	mccastrecv.py

시연 실행하기

우리는 다음처럼 프로그램을 실행합니다.

1. 첫째, 우리는 다음처럼 eastny와 flatbush에서 mcastrecv.py를 실행합니다.

brooklyn@flatbush:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.104 224.1.1.5 50001

brooklyn@eastny:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.101 224.1.1.5 50001

2. 우리는 bushwick에서 mcastrecv.py와 scapy3를 두 개의 터미널에서 둘 다 실행합니다.

brooklyn@bushwick:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.105 234.3.2.1 50001

brooklyn@bushwick:~$ sudo scapy3
>>> packets = sniff(prn=lambda p: p.summary(), filter='udp port 50001')

3. 마지막으로 우리는 mcastsend.py를 midwood에서 실행합니다.

brooklyn@midwood:~$ python mcastsend.py 192.168.56.103 224.1.1.5 50001 "Hello, World!"

출력

출력은 다음과 같습니다.

flatbush에서 우리는 다음을 관찰합니다.

brooklyn@flatbush:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.104 224.1.1.5 50001
Hello, World!
brooklyn@flatbush:~$

eastny에서 우리는 다음도 관찰합니다.

brooklyn@eastny:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.101 224.1.1.5 50001
Hello, World!
brooklyn@eastny:~$

하지만, bushwick에서 mcastrecv.py는 IPv4 주소 192.168.56.101에 의해 식별되는 네트워크 인터페이스로부터 멀티캐스트 그룹 234.3.2.1로 데이터그램을 받지 못했기에 데이터를 아직 기다립니다. (글쎄, 우리는 이 데모에서 우리는 절대 그 그룹에 데이터그램을 보내지 않는다는 점에 주의해야 합니다.)

`brooklyn@bushwick:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.105 234.3.2.1 50001

하지만, scrapy3은 midwood에서 mcastsend.py에 의해 보내진 패킷을 캡쳐했습니다.

>>> packets = sniff(prn=lambda p: p.summary(), filter='udp port 50001')
Ether / IP / UDP 192.168.56.103:52582 > 224.1.1.5:50001 / Raw / Padding

^C>>> hexdump(packets[0])
0000  01005E010105080027A133B408004500 ..^.....'.3...E.
0010  00290DC74000011191E7C0A83867E001 .)..@.......8g..
0020  0105CD66C351001553C948656C6C6F2C ...f.Q..S.Hello,
0030  20576F726C64210000000000          World!.....
>>>

연습과 탐색

다음 시나리오를 고려해 보겠습니다. 우리는 모든 네트워크 인터페이스로부터 멀티캐스트 데이터그램을 수신하기를 원합니다. socket.INADDR_ANY는 모든 주소를 나타뱀을 관찰할 수 있습니다. 우리는 mcastrecv.py의 간단한 수정으로 이 목표를 달성할 수 있다고 가정합다. 수정은

if fromnicip == '0.0.0.0':
        mreq = struct.pack("=4sl", socket.inet_aton(mcgrpip), socket.INADDR_ANY)
else:
        mreq = struct.pack("=4s4s", \
                socket.inet_aton(mcgrpip), socket.inet_aton(fromnicip))
receiver.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_ADD_MEMBERSHIP, mreq)

에서 다음으로 대체합니다.

mreq = struct.pack("=4sl", socket.inet_aton(mcgrpip), socket.INADDR_ANY)

우리는 eastny 또는 flatbuash에서 다음처럼 수정된 mcastrecv.py를 실행합니다.

brooklyn@flatbush:~$ python mcastrecv.py 192.168.56.104 224.1.1.5 50001

우리는 midwood에서 mcastsend.py를 실행합니다.

brooklyn@midwood:~$ python mcastsend.py 192.168.56.103 224.1.1.5 50001 "Hello, World!"

우리는 mcastsend가 완료할 동안 mcastrecv.py가 데이터를 아직 기다리고 있음을 관찰할 수 있습니다. scapy3를 사용하여 패킷을 캡처하고 캡처된 패킷을 사용하여 현상을 설명하는 실험을 설계합니다.

관련글

• UDP - 파이썬에서 클라이언트 서버 예제 프로그램