iOS-Socket网络通信-框架与API

作者: DiamondsAndRust | 来源:发表于2016-04-22 19:35 被阅读2611次

Socket基础概念

网络中进程之间如何通信？

网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起，在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“IP地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

什么是Socket？

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用打开open –> 读写write/read –> 关闭close模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数在后面进行介绍。

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。

网络层次结构中的Socket.jpg

iOS网络编程层次结构

iOS网络编程层次结构分为三层，从上往下依次为：

Cocoa层：NSURL，Bonjour，Game Kit，WebKit
Core Foundation层：基于 C 的 CFNetwork 和 CFNetServices
OS层：基于 C 的 BSD Socket

Cocoa层：是最上层的基于 Objective-C 的 API，比如 URL访问，NSStream，Bonjour，GameKit等，这是大多数情况下我们常用的 API。Cocoa 层是基于 Core Foundation 实现的。
Core Foundation层：因为直接使用 socket 需要更多的编程工作，所以苹果对 OS 层的 socket 进行简单的封装以简化编程任务。该层提供了 CFNetwork 和 CFNetServices，其中 CFNetwork 又是基于 CFStream 和 CFSocket。
OS层：最底层的 BSD Socket 提供了对网络编程最大程度的控制，但是编程工作也是最多的。因此，苹果建议我们使用 Core Foundation 及以上层的 API 进行编程。

Socket网络基本框架

TCP-C/S架构程序设计基本框架

TCP.jpg

UDP-C/S架构程序设计基本框架

UDP.jpg

Socket API

-------socket()-------

int socket(int domain, int type, int protocol);

用来创建一个socket描述字，可以理解为打开了一个socket。

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

这个函数会返回一个int值，也就是socket描述字。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。这里我们只用AF_INET。
type：指定socket类型。常用的socket类有：SOCK_STREAM（TCP用到）、SOCK_DGRAM（UDP用到）、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET。
protocol：顾名思义，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket()创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

-------bind()-------

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

用来将socket()创建的socket描述字同{IP地址-协议号-端口号}绑定起来

当用socket()创建套接口后，它便存在于一个名字空间（地址族）中，但并未赋名。bind()函数通过给一个未命名套接口分配一个本地名字来为套接口建立本地捆绑（主机地址/端口号）。

在Internet地址族中，一个名字包括几个组成部分，对于SOCK_DGRAM和SOCK_STREAM类套接口，名字由三部分组成：主机地址，协议号（显式设置为UDP和TCP）和用以区分应用的端口号。如果一个应用并不关心分配给它的地址，则可将Internet地址设置为INADDR_ANY，或将端口号置为0。如果Internet地址段为INADDR_ANY，则可使用任意网络接口，且在有多种主机环境下可简化编程。 (关于INADDR_ANY更多的事项在后面说明)

函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建的，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET /
in_port_t sin_port; / port in network byte order /
struct in_addr sin_addr; / internet address */
};
```
 /* Internet address. */
struct in_addr {
  uint32_t       s_addr;
   /* address in network byte order */
};
```
addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的IP地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。
** 注意：**这里的sockaddr_in结构体中，有一个sin_port，存储的是端口号，这个端口号是在网络字节顺序下的，所以在给它赋值的时候要记得做一下转化。(关于字节顺序在后面会介绍。)

-------listen()-------

int listen(int sockfd, int backlog);

用来监听目标socket描述字

listen()函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数（最多和多少个客户端通信？）。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen()函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

-------connect()-------

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

通过两个socket描述字，在客户端和服务器之间建立连接

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

-------accept()-------

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

接收客户端请求，表明连接建立成功

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。
注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字，是对面的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

-------read()-------

-------write()-------

至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

它们的声明如下：
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/socket.h> 
   ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
   ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
   ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
   ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
   ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
   ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

-------close()-------

int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

示例代码

socket

//调用socket()，返回的socket描述符存放在fd中
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);

bind

//新建一个地址结构体，用来bind()
struct sockaddr_in addr; 
// 内存大小
addr.sin_len=sizeof(addr);
// 地址族，在socket编程中只能是AF_INET
addr.sin_family=AF_INET;
// 端口号
addr.sin_port=htons(1024);
// 按照网络字节顺序存储IP地址
addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;

//绑定socket套接字和端口
bind(fd, (const struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

listen

//监听fd端口的消息
listen(fd, 10);

connect

//先将服务器端信息保存在一个sockaddr结构体中
struct sockaddr_in serveraddr;

serveraddr.sin_len=sizeof(serveraddr);
//协议族
serveraddr.sin_family=AF_INET;
// 服务器端口
serveraddr.sin_port=htons(1024);
// 服务器的地址
serveraddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.2.5");
socklen_t addrLen;
addrLen =sizeof(serveraddr);

//连接服务器端
connect(fd, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrLen);

accept

//接收到客户端请求，把得到的对端socket存储在peerfd中等待后续通信
peerfd = accept(fd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &addrLen);

send

char buf[1024];
//向对端发送数据
send(peerfd, buf, 1024, 0);

recv

char buf[1024]
//接收数据
recv(fd, buf, len, 0);

TCP/IP的三次握手与四次挥手

三次握手

四次挥手

补充内容

INADDR_ANY

在用bind()绑定一个socket的时候，地址中的

 struct in_addr sin_addr;            /* internet address */

可能被绑定为INADDR_ANY，这表示指定为0.0.0.0的地址，这其实表示“任意地址”。

一般情况下，如果你要建立网络服务器应用程序，则你要通知服务器操作系统：请在某地址 xxx.xxx.xxx.xxx上的某端口 yyyy上进行侦听，并且把侦听到的数据包发送给我。这个过程，你是通过bind()系统调用完成的。也就是说，你的程序要绑定服务器的某地址，或者说：把服务器的某地址上的某端口占为已用。服务器操作系统可以给你这个指定的地址，也可以不给你。
如果你的服务器有多个网卡（每个网卡上有不同的IP地址），而你的服务（不管是在udp端口上侦听，还是在tcp端口上侦听），出于某种原因：可能是你的服务器操作系统可能随时增减IP地址，也有可能是为了省去确定服务器上有什么网络端口（网卡）的麻烦 —— 可以要在调用bind()的时候，告诉操作系统：“我需要在 yyyy 端口上侦听，所有发送到服务器的这个端口，不管是哪个网卡/哪个IP地址接收到的数据，都是我处理的。”这时候，服务器程序则在0.0.0.0这个地址上进行侦听。
在使用了INADDR_ANY以后，如果需要进行数据传输，则必须获取准确的地址，要用到
```
getsockname();
```

这个方法必须要在建立了连接之后调用，可以获得跟某一socket相关的特定IP地址，这个方法返回的IP地址直接存储在参数中。如果没有建立连接就调用，则会返回0.0.0.0。

获取地址

用getsockname获得本地ip和port

用getpeername获得对端ip和port

套接字socket必须是已连接套接字描述符。

字节顺序

网络字节顺序与本地字节顺序之间的转换函数：

htonl()--"Host to Network Long"
ntohl()--"Network to Host Long"
htons()--"Host to Network Short"
ntohs()--"Network to Host Short"

本文参考

Socket - AZLIn
Linux Socket编程 - 吴秦

iOS-Socket网络通信-框架与API

Socket基础概念

网络中进程之间如何通信？

什么是Socket？

iOS网络编程层次结构

Socket网络基本框架

TCP-C/S架构程序设计基本框架

UDP-C/S架构程序设计基本框架

Socket API

-------socket()-------

-------bind()-------

-------listen()-------

-------connect()-------

-------accept()-------

-------read()-------

-------write()-------

-------close()-------

示例代码

TCP/IP的三次握手与四次挥手

补充内容

INADDR_ANY

获取地址

字节顺序

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