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网络编程: TCP/IP、HTTP/HTTPS、Socket和C

网络编程: TCP/IP、HTTP/HTTPS、Socket和C

作者: 情书和海 | 来源:发表于2017-03-08 21:30 被阅读691次

    对应关系

    网络七层

    • 媒体层: 网络工程师所研究的对象
    - 物理层
    - 数据链路层 **【ARP \ RARP】**
    - 网络层 **【IP】**
    
    • 主机层: 用户所面向和关心的内容
      • 传输层 【TCP \ UDP】
      • 会话层
      • 表示层
      • 应用层 【HTTP \ FTP \ SMTP \ DNS】
    • 拓展: 通信的基石套接字【Socket】
      • socket: 网络通信过程中端点的抽象表示

    TCP/IP五层模型

    • 应用层
    • 传输层
      • 四层交换机、也有工作在四层的路由器工作在传输层
    • 网络层
      • 路由器、三层交换机在网络层
    • 数据链路层
      • 网桥(现已很少使用)、以太网交换机(二层交换机)、网卡(其实网卡是一半工作在物理层、一半工作在数据链路层)在数据链路层
    • 物理层
      • 中继器、集线器、双绞线工作在物理层

    TCP/IP协议中的应用层处理七层模型中的第五层、第六层和第七层的功能。TCP/IP协议中的传输层并不能总是保证在传输层可靠地传输数据包,而七层模型可以做到。TCP/IP协议还提供一项名为UDP(用户数据报协议)的选择。UDP不能保证可靠的数据包传输。

    TCP是一种流模式的协议,UDP是一种数据报模式的协议

    • TCP:面向连接、传输可靠(保证数据正确性,保证数据顺序)、用于传输大量数据(流模式)、速度慢,建立连接需要开销较多(时间,系统资源)。
    • UDP:面向非连接、传输不可靠、用于传输少量数据(数据报模式)、速度快。

    IP、TCP、HTTP区别联系

    • 三者本质上无可比性
    • HTTP协议基于TCP连接
      • TCP/IP是传输层协议,主要解决数据如何在网络中传输;

      传输数据,可以只使用传输层(TCP/IP),但是没有应用层,便无法识别数据内容。如果要使得传输的数据有意义,必须使用应用层协议(HTTP、FTP、TELNET等),也可以自己定义应用层协议。
      + HTTP是应用层协议,主要解决如何包装数据。
      >WEB使用HTTP作应用层协议,以封装HTTP文本信息,然后使用TCP/IP做传输层协议将它发送到网络上。

    Socket的位置

    Socket

    socket是对TCP/IP协议的封装,socket本身并不是协议,而是一个调用接口(API),通过socket我们才能使用TCP/IP协议。Socket接口定义了许多函数或例程,程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程,必须理解Socket接口。 Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话,就很容易了解Socket了。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O,Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket(),该函数返回一个整型的Socket描述符,随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。
    Socket描述了一个IP、端口对。它简化了程序员的操作,知道对方的IP以及PORT就可以给对方发送消息,再由服务器端来处理发送的这些消息。

    Http 和 Socket连接区别

    TCP连接

    要想明白Socket连接,先要明白TCP连接。手机能够使用联网功能是因为手机底层实现了TCP/IP协议,可以使手机终端通过无线网络建立TCP连接。TCP协议可以对上层网络提供接口,使上层网络数据的传输建立在“无差别”的网络之上。

    建立起一个TCP连接需要经过“三次握手”
    • 第一次握手:客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;
    • 第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
    • 第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。
    • 握手过程中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。
    • 理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前,TCP连接都将被一直保持下去。
    • 断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求,断开过程需要经过“四次握手”。
    断开一个TCP连接需要经过“四次握手”

    TCP连接的拆除需要发送四个包,因此称为四次握手(four-way handshake)。在socket编程中,任何一方执行close()操作即可产生握手(有地方称为“挥手”)操作。

    TCP连接的拆除
    连接“三次握手”和断开“四次握手”的区别

    之所以有“三次握手”和“四次握手”的区别,是因为连接时当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,”你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

    HTTP连接

    HTTP协议即超文本传送协议(HyperText Transfer Protocol)是Web联网的基础,也是手机联网常用的协议之一,HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用。

    HTTP连接最显著的特点是:

    客户端发送的每次请求都需要服务器回送响应,在请求结束后,会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。

    • 在HTTP 1.0中,客户端的每次请求都要求建立一次单独的连接,在处理完本次请求后,就自动释放连接。
    • 在HTTP 1.1中则可以在一次连接中处理多个请求,并且多个请求可以重叠进行,不需要等待一个请求结束后再发送下一个请求。

    由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接,因此HTTP连接是一种“短连接”,要保持客户端程序的在线状态,需要不断地向服务器发起连接请求。

    通常做法是即使不需要获得任何数据,客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求,服务器在收到该请求后对客户端进行回复,表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求,则认为客户端“下线”,若客户端长时间无法收到服务器的回复,则认为网络已经断开。

    HTTPS

    HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer),是以安全为目标的HTTP通道,是HTTP的安全版。 在HTTP下加入SSL层,HTTPS的安全基础是SSL,因此加密的详细内容就需要SSL。 HTTPS存在不同于HTTP的默认端口及一个加密/身份验证层(在HTTP与TCP之间)。HTTP协议以明文方式发送内容,不提供任何方式的数据加密,如果攻击者截取了Web浏览器和网站服务器之间的传输报文,就可以直接读懂其中的信息,因此HTTP协议不适合传输一些敏感信息。

    HTTP和HTTPS的区别
    • https协议需要到ca申请证书;http是超文本传输协议,信息是明文传输,https则是具有安全性的ssl加密传输协议;
    • http和https使用的是完全不同的连接方式,用的端口也不一样,前者是80,后者是443;
    • http的连接很简单,是无状态的,HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议。


      HTTPS

    Socket原理

    Socket使用
    socket(套接字)概念

    套接字(socket)是通信的基石,是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示,包含进行网络通信必须的五种信息:连接使用的协议,本地主机的IP地址,本地进程的协议端口,远地主机的IP地址,远地进程的协议端口。

    应用层通过传输层进行数据通信时,TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。

    为了区别不同的应用程序进程和连接,许多计算机操作系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口,区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信,实现数据传输的并发服务。

    建立socket连接

    建立Socket连接至少需要一对套接字,其中一个运行于客户端,称为ClientSocket,另一个运行于服务器端,称为ServerSocket。
    每一个应用或者说服务,都有一个端口。比如DNS的53端口,http的80端口。我们能由DNS请求到查询信息,是因为DNS服务器时时刻刻都在监听53端口,当收到我们的查询请求以后,就能够返回我们想要的IP信息。

    套接字之间的连接过程分为三个步骤:
    • (1)服务器监听: 服务端利用Socket监听端口

    服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字,而是处于等待连接的状态,实时监控网络状态,等待客户端的连接请求。

    • (2)客户端请求: 客户端发起连接

    指客户端的套接字提出连接请求,要连接的目标是服务器端的套接字。为此,客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字,指出服务器端套接字的地址和端口号,然后就向服务器端套接字提出连接请求。

    • (3)连接确认: 服务端返回信息,建立连接,开始通信

    当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时,就响应客户端套接字的请求,建立一个新的线程,把服务器端套接字的描述发给客户端,一旦客户端确认了此描述,双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态,继续接收其他客户端套接字的连接请求。

    • 断开:客户端,服务端断开连接
    SOCKET连接与TCP连接

    创建Socket连接时,可以指定使用的传输层协议,Socket可以支持不同的传输层协议(TCP或UDP),当使用TCP协议进行连接时,该Socket连接就是一个TCP连接;当使用UDP协议进行连接时,该Socket连接就是一个UDP连接。

    常用的Socket类型有两种:流式Socket(SOCK_STREAM)和数据报式Socket(SOCK_DGRAM)

    • 流式是一种面向连接的Socket,针对于面向连接的TCP服务应用;
    • 数据报式Socket是一种无连接的Socket,对应于无连接的UDP服务应用。
    SOCKET连接与HTTP连接
    • Socket连接
      由于通常情况下Socket连接就是TCP连接,因此Socket连接一旦建立,通信双方即可开始相互发送数据内容,直到双方连接断开。

    但在实际网络应用中,客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点,例如路由器、网关、防火墙等,大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致Socket连接断连,因此需要通过轮询告诉网络,该连接处于活跃状态。

    • HTTP连接
      而HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式,不仅在请求时需要先建立连接,而且需要客户端向服务器发出请求后,服务器端才能回复数据。

    很多情况下,需要服务器端主动向客户端推送数据,保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接,服务器就可以直接将数据传送给客户端;若双方建立的是HTTP连接,则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端,因此,客户端定时向服务器端发送连接请求,不仅可以保持在线,同时也是在“询问”服务器是否有新的数据,如果有就将数据传给客户端。

    Server-Client模型程序的开发原理
    • 服务器,使用ServerSocket监听指定的端口,端口可以随意指定(由于1024以下的端口通常属于保留端口,在一些操作系统中不可以随意使用,所以建议使用大于1024的端口),等待客户连接请求,客户连接后,会话产生;在完成会话后,关闭连接。
    • 客户端,使用Socket对网络上某一个服务器的某一个端口发出连接请求,一旦连接成功,打开会话;会话完成后,关闭Socket。客户端不需要指定打开的端口,通常临时的、动态的分配一个1024以上的端口。

    socket使用

    socket使用的库函数

    • 1.创建套接字
      • Socket(af,type,protocol)//建立地址和套接字的联系
      • bind(sockid, local addr, addrlen)//服务器端侦听客户端的请求
      • listen( Sockid ,quenlen)// 建立服务器/客户端的连接 (面向连接TCP)
    • 2.客户端请求连接
      • Connect(sockid, destaddr, addrlen)//服务器端等待从编号为Sockid的Socket上接收客户连接请求
      • newsockid=accept(Sockid,Clientaddr, paddrlen)//发送/接收数据
    • 3.面向连接:
      • send(sockid, buff, bufflen)
      • recv()
    • 4.面向无连接:
      • sendto(sockid,buff,…,addrlen)
      • recvfrom()
    • 5.释放套接字
      • close(socked)

    客户端代码

    //需要导入<arpa inet.h="">,<netdb.h>
    - (void)test
    {
        NSString * host =@"123.33.33.1";
        NSNumber * port = @1233;
        // 创建 socket
        int socketFileDescriptor = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (-1 == socketFileDescriptor) {
            NSLog(@"创建失败");
            return;
        }
        // 获取 IP 地址
        struct hostent * remoteHostEnt = gethostbyname([host UTF8String]);
        if (NULL == remoteHostEnt) {
            close(socketFileDescriptor);
            NSLog(@"%@",@"无法解析服务器的主机名");
            return;
        }
        struct in_addr * remoteInAddr = (struct in_addr *)remoteHostEnt->h_addr_list[0];
        // 设置 socket 参数
        struct sockaddr_in socketParameters;
        socketParameters.sin_family = AF_INET;
        socketParameters.sin_addr = *remoteInAddr;
        socketParameters.sin_port = htons([port intValue]);
        // 连接 socket
        int ret = connect(socketFileDescriptor, (struct sockaddr *) &socketParameters, sizeof(socketParameters));
        if (-1 == ret) {
            close(socketFileDescriptor);
            NSLog(@"连接失败");
            return;
        }
        NSLog(@"连接成功");
    }</netdb.h></arpa>
    

    因为是C语言的,所以看起来不是很方便,一般开发中都会使用比较简单的方法: CocoaAsyncSocket

    iOS Socket开发

    在iOS中以NSStream(流)来发送和接收数据,可以设置流的代理,对流状态的变化做出相应的动作(连接建立,接收到数据,连接关闭)。

    • NSStream:数据流的父类,用于定义抽象特性,例如:打开、关闭代理,NSStream继承自CFStream(CoreFoundation)
    • NSInputStream:NSStream的子类,用于读取输入
    • NSOutputStream:NSSTream的子类,用于写输出。

    iOS的socket实现是特别简单的,可以使用用github的开源类库CocoaAsyncSocket简化开发,CocoaAsyncSocket是支持tcp和udp的

    示例 CocoaAsyncSocket

    • CocoaPods
    pod 'CocoaAsyncSocket' 
    
    • 单例

    MSSocket.h

    #import <Foundation/Foundation.h>
    #import <GCDAsyncSocket.h>
    
    @interface MSSocket : NSObject
    @property (nonatomic, strong) GCDAsyncSocket *msSocket;
    
    // 创建一个单例
    + (MSSocket *)defaultSocket;
    @end
    

    MSSocket.m

    #import "MSSocket.h"
    
    @implementation MSSocket
    + (MSSocket *)defaultSocket
    {
        static MSSocket *socket = nil;
        static dispatch_once_t onceToken;
        dispatch_once(&onceToken, ^{
            socket = [[self alloc] init];
        });
        return socket;
    }
    @end
    
    • 服务器端代码

    ServerVC.h

    #import <UIKit/UIKit.h>
    #import "MSSocket.h"
    
    @interface ServerVC : UIViewController<GCDAsyncSocketDelegate>
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextField *portTF;   // 端口号
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextField *content;
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextView *message;
    @property (nonatomic, strong) GCDAsyncSocket *clientSocket; // 为客户端生成的socket
    @property (nonatomic, strong) GCDAsyncSocket *serverSocket; // 服务器socket
    @end
    

    ServerVC.m

    #import "ServerVC.h"
    
    @interface ServerVC ()
    @end
    
    @implementation ServerVC
    #pragma mark - VIEW LIFE CYCLE
    - (void)viewDidLoad
    {
        [super viewDidLoad];
    }
    
    #pragma mark - ACTIONS
    /**
     监听
    
     @param sender 监听按钮
     */
    - (IBAction)listen:(id)sender
    {
        // 1. 创建服务器socket
        self.serverSocket = [[GCDAsyncSocket alloc] initWithDelegate:self delegateQueue:dispatch_get_main_queue()];
        // 2. 开放哪些端口
        NSError *error = nil;
        BOOL result = [self.serverSocket acceptOnPort:self.portTF.text.integerValue error:&error];
        // 3. 判断端口号是否开放成功
        if (result) {
            [self addText:@"端口开放成功"];
        } else {
            [self addText:@"端口开放失败"];
        }
    }
    // textView填写内容
    - (void)addText:(NSString *)text
    {
        self.message.text = [self.message.text stringByAppendingFormat:@"%@\n", text];
    }
    
    /**
     发送消息
    
     @param sender 发送按钮
     */
    - (IBAction)sendMessage:(id)sender
    {
        NSData *data = [self.content.text dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        [self.clientSocket writeData:data withTimeout:-1 tag:0];
        MSSocket *socket = [MSSocket defaultSocket];
        [socket.mySocket readDataWithTimeout:-1 tag:0];
    }
    
    /**
     接收数据
    
     @param sender 接收
     */
    - (IBAction)receiveMessage:(id)sender
    {
        [self.clientSocket readDataWithTimeout:-1 tag:0];
    }
    
    
    #pragma mark - GCDAsyncSocketDelegate
    /**
     当客户端链接服务器端的socket, 为客户端单独生成一个socket
    
     @param sock socket
     @param newSocket 为客户端单生成一个新socket
     */
    - (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didAcceptNewSocket:(GCDAsyncSocket *)newSocket
    {
        [self addText:@"链接成功"];
        // IP: newSocket.connectedHost
        // 端口号: newSocket.connectedPort
        [self addText:[NSString stringWithFormat:@"链接地址:%@", newSocket.connectedHost]];
        [self addText:[NSString stringWithFormat:@"端口号:%hu", newSocket.connectedPort]];
        // short: %hd
        // unsigned short: %hu
        
        // 存储新的端口号
        self.clientSocket = newSocket;
    }
    
    /**
     读取数据
    
     @param sock socket
     @param data 接收到的数据
     @param tag tag
     */
    - (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didReadData:(NSData *)data withTag:(long)tag
    {
        NSString *message = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
        [self addText:message];
    }
    
    
    - (void)didReceiveMemoryWarning
    {
        [super didReceiveMemoryWarning];
    }
    @end
    
    • 客户端代码

    ClientVC.h

    #import <UIKit/UIKit.h>
    #import "MSSocket.h"
    
    @interface ClientVC : UIViewController<GCDAsyncSocketDelegate>
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextField *addressTF;
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextField *portTF;
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextField *message;
    @property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextView *content;
    @property (nonatomic, strong) GCDAsyncSocket *socket;
    @end
    

    ClientVC.m

    #import "ClientVC.h"
    
    @implementation ClientVC
    #pragma mark - VIEW LIFE CYCLE
    - (void)viewDidLoad
    {
        [super viewDidLoad];
    }
    
    #pragma mark - ACTIONS
    /**
     和服务器进行链接
     @discussion 与服务器通过三次握手建立连接
     @param sender 连接按钮
     */
    - (IBAction)connect:(UIButton *)sender
    {
        // 1. 创建一个socket对象
        self.socket = [[GCDAsyncSocket alloc] initWithDelegate:self delegateQueue:dispatch_get_main_queue()];
        
        // 2. 与服务器的socket链接起来
        NSError *error = nil;
        BOOL result = [self.socket connectToHost:self.addressTF.text onPort:self.portTF.text.integerValue error:&error];
        
        // 3. 判断链接是否成功
        if (result) {
            [self addText:@"客户端链接服务器成功"];
        } else {
            [self addText:[NSString stringWithFormat:@"客户端链接服务器失败:%@", error]];
        }
    }
    
    /**
     接收数据
    
     @param sender 接收按钮
     */
    - (IBAction)receiveMassage:(UIButton *)sender
    {
        [self.socket readDataWithTimeout:-1 tag:0];
    }
    
    /**
     发送消息
    
     @param sender 发送按钮
     */
    - (IBAction)sendMassage:(UIButton *)sender
    {
        [self.socket writeData:[self.message.text dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding] withTimeout:-1 tag:0];
    }
    
    /**
     内容区显示消息
    
     @param text 内容
     */
    - (void)addText:(NSString *)text
    {
        self.content.text = [self.content.text stringByAppendingFormat:@"%@\n", text];
    }
    
    #pragma mark - GCDAsyncSocketDelegate
    /**
     连接成功
     @discussion 客户端链接服务器端成功, 客户端获取地址和端口号
     @param sock socket
     @param host IP
     @param port 端口号
     */
    - (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didConnectToHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port
    {
        NSLog(@"%s",__func__);
        [self addText:[NSString stringWithFormat:@"链接服务器%@", host]];
        MSSocket *socket = [MSSocket defaultSocket];
        socket.mySocket = self.socket;
    }
    
    /**
     断开连接
     
     @param sock socket
     @param err 错误信息
     */
    - (void)socketDidDisconnect:(GCDAsyncSocket *)sock withError:(NSError *)err
    {
        if (err) {
            NSLog(@"连接失败");
        }else{
            NSLog(@"正常断开");
        }
    }
    
    /**
     读取数据
     @discussion 客户端已经获取到内容
     @param sock socket
     @param data 数据
     @param tag tag
     */
    - (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didReadData:(NSData *)data withTag:(long)tag
    {
        NSString *content = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
        [self addText:content];
    }
    
    /**
     数据发送成功
    
     @param sock socket
     @param tag tag
     */
    - (void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didWriteDataWithTag:(long)tag
    {
        NSLog(@"%s",__func__);
        //发送完数据手动读取,-1不设置超时
        [sock readDataWithTimeout:-1 tag:tag];
    }
    
    - (void)didReceiveMemoryWarning
    {
        [super didReceiveMemoryWarning];
    }
    @end
    

    iOS Socket使用总结

    如果需要在项目中像QQ微信一样做到即时通讯,必须使用socket通讯。
    ios原生的socket用起来不是很直观,所以一般使用AsyncSocket第三方库,其对socket的封装比较好。

    即时通讯最大的特点就是实时性,基本感觉不到延时或是掉线,所以必须对socket的连接进行监视与检测,在断线时进行重新连接,如果用户退出登录,要将socket手动关闭,否则对服务器会造成一定的负荷。
    一般来说,一个用户(对于iOS来说也就是我们的项目中)只能有一个正在连接的socket,所以这个socket变量必须是全局的,这里可以考虑使用单例或是AppDelegate进行数据共享,本文使用单例。如果对一个已经连接的socket对象再次进行连接操作,会抛出异常(不可对已经连接的socket进行连接)程序崩溃,所以在连接socket之前要对socket对象的连接状态进行判断
    使用socket进行即时通讯还有一个必须的操作,即对服务器发送心跳包,每隔一段时间对服务器发送长连接指令(指令不唯一,由服务器端指定,包括使用socket发送消息,发送的数据和格式都是由服务器指定),如果没有收到服务器的返回消息,AsyncSocket会得到失去连接的消息,我们可以在失去连接的回调方法里进行重新连接。


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