iOS-Socket網(wǎng)絡(luò)通信-框架與API

Socket基礎(chǔ)概念

網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信？

網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信？首要解決的問題是如何唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，否則通信無從談起，在本地可以通過進(jìn)程PID來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，但是在網(wǎng)絡(luò)中這是行不通的。其實(shí)TCP/IP協(xié)議族已經(jīng)幫我們解決了這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)層的“IP地址”可以唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識(shí)主機(jī)中的應(yīng)用程序（進(jìn)程）。這樣利用三元組（ip地址，協(xié)議，端口）就可以標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程了，網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通信就可以利用這個(gè)標(biāo)志與其它進(jìn)程進(jìn)行交互。

使用TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序通常采用應(yīng)用編程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經(jīng)被淘汰），來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應(yīng)用程序都是采用socket，而現(xiàn)在又是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

什么是Socket？

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學(xué)之一就是“一切皆文件”，都可以用打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數(shù)就是對(duì)其進(jìn)行的操作（讀/寫IO、打開、關(guān)閉），這些函數(shù)在后面進(jìn)行介紹。

Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。

網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中的Socket.jpg

iOS網(wǎng)絡(luò)編程層次結(jié)構(gòu)

iOS網(wǎng)絡(luò)編程層次結(jié)構(gòu)分為三層，從上往下依次為：

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

  • Cocoa層：是最上層的基于 Objective-C 的 API，比如 URL訪問，NSStream，Bonjour，GameKit等，這是大多數(shù)情況下我們常用的 API。Cocoa 層是基于 Core Foundation 實(shí)現(xiàn)的。

  • Core Foundation層：因?yàn)橹苯邮褂?socket 需要更多的編程工作，所以蘋果對(duì) OS 層的 socket 進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝以簡(jiǎn)化編程任務(wù)。該層提供了 CFNetwork 和 CFNetServices，其中 CFNetwork 又是基于 CFStream 和 CFSocket。

  • OS層：最底層的 BSD Socket 提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)編程最大程度的控制，但是編程工作也是最多的。因此，蘋果建議我們使用 Core Foundation 及以上層的 API 進(jìn)行編程。

Socket網(wǎng)絡(luò)基本框架

TCP-C/S架構(gòu)程序設(shè)計(jì)基本框架

TCP.jpg

UDP-C/S架構(gòu)程序設(shè)計(jì)基本框架

UDP.jpg

Socket API

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

int socket(int domain, int type, int protocol);
  • 用來創(chuàng)建一個(gè)socket描述字，可以理解為打開了一個(gè)socket。

socket函數(shù)對(duì)應(yīng)于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個(gè)文件描述字，而socket()用于創(chuàng)建一個(gè)socket描述符（socket descriptor），它唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。這個(gè)socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進(jìn)行一些讀寫操作。

這個(gè)函數(shù)會(huì)返回一個(gè)int值，也就是socket描述字。

正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時(shí)候，也可以指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描述符，socket函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

  • domain：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族（family）。常用的協(xié)議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對(duì)應(yīng)的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號(hào)（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個(gè)絕對(duì)路徑名作為地址。這里我們只用AF_INET。

  • type：指定socket類型。常用的socket類有：SOCK_STREAM（TCP用到）、SOCK_DGRAM（UDP用到）、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET。

  • protocol：顧名思義，就是指定協(xié)議。常用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對(duì)應(yīng)TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議。

注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當(dāng)protocol為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇type類型對(duì)應(yīng)的默認(rèn)協(xié)議。

當(dāng)我們調(diào)用socket()創(chuàng)建一個(gè)socket時(shí)，返回的socket描述字它存在于協(xié)議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個(gè)具體的地址。如果想要給它賦值一個(gè)地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)，否則就當(dāng)調(diào)用connect()、listen()時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)隨機(jī)分配一個(gè)端口。

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

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

用來將socket()創(chuàng)建的socket描述字同{IP地址-協(xié)議號(hào)-端口號(hào)}綁定起來

當(dāng)用socket()創(chuàng)建套接口后，它便存在于一個(gè)名字空間（地址族）中，但并未賦名。bind()函數(shù)通過給一個(gè)未命名套接口分配一個(gè)本地名字來為套接口建立本地捆綁（主機(jī)地址/端口號(hào)）。

在Internet地址族中，一個(gè)名字包括幾個(gè)組成部分，對(duì)于SOCK_DGRAM和SOCK_STREAM類套接口，名字由三部分組成：主機(jī)地址，協(xié)議號(hào)（顯式設(shè)置為UDP和TCP）和用以區(qū)分應(yīng)用的端口號(hào)。如果一個(gè)應(yīng)用并不關(guān)心分配給它的地址，則可將Internet地址設(shè)置為INADDR_ANY，或?qū)⒍丝谔?hào)置為0。如果Internet地址段為INADDR_ANY，則可使用任意網(wǎng)絡(luò)接口，且在有多種主機(jī)環(huán)境下可簡(jiǎn)化編程。 (關(guān)于INADDR_ANY更多的事項(xiàng)在后面說明)

函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

  • sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建的，唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。bind()函數(shù)就是將給這個(gè)描述字綁定一個(gè)名字。

  • addr：一個(gè)const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個(gè)地址結(jié)構(gòu)根據(jù)地址創(chuàng)建socket時(shí)的地址協(xié)議族的不同而不同，如ipv4對(duì)應(yīng)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：對(duì)應(yīng)的是地址的長(zhǎng)度。

通常服務(wù)器在啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)綁定一個(gè)眾所周知的地址（如ip地址+端口號(hào)），用于提供服務(wù)，客戶就可以通過它來接連服務(wù)器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動(dòng)分配一個(gè)端口號(hào)和自身的IP地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen之前會(huì)調(diào)用bind()，而客戶端就不會(huì)調(diào)用，而是在connect()時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)生成一個(gè)。
** 注意：**這里的sockaddr_in結(jié)構(gòu)體中，有一個(gè)sin_port，存儲(chǔ)的是端口號(hào)，這個(gè)端口號(hào)是在網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序下的，所以在給它賦值的時(shí)候要記得做一下轉(zhuǎn)化。(關(guān)于字節(jié)順序在后面會(huì)介紹。)

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

int listen(int sockfd, int backlog);

用來監(jiān)聽目標(biāo)socket描述字

listen()函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù)（最多和多少個(gè)客戶端通信？）。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認(rèn)是一個(gè)主動(dòng)類型的，listen()函數(shù)將socket變?yōu)楸粍?dòng)類型的，等待客戶的連接請(qǐng)求。

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

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

通過兩個(gè)socket描述字，在客戶端和服務(wù)器之間建立連接

connect函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第三個(gè)參數(shù)為socket地址的長(zhǎng)度。客戶端通過調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

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

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

接收客戶端請(qǐng)求，表明連接建立成功

accept函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址，第三個(gè)參數(shù)為協(xié)議地址的長(zhǎng)度。如果accpet成功，那么其返回值是由內(nèi)核自動(dòng)生成的一個(gè)全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。
TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就想TCP服務(wù)器發(fā)送了一個(gè)連接請(qǐng)求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)請(qǐng)求之后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收請(qǐng)求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。
注意:accept的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字，是對(duì)面的socket描述字。一個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽socket描述字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)一直存在。內(nèi)核為每個(gè)由服務(wù)器進(jìn)程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個(gè)已連接socket描述字，當(dāng)服務(wù)器完成了對(duì)某個(gè)客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

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

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

至此服務(wù)器與客戶已經(jīng)建立好連接了。可以調(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進(jìn)行讀寫操作了，即實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)咯中不同進(jìn)程之間的通信！網(wǎng)絡(luò)I/O操作有下面幾組：

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

它們的聲明如下：
#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函數(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時(shí)，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經(jīng)讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描述符fd.成功時(shí)返回寫的字節(jié)數(shù)。失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno變量。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時(shí)有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。我們要根據(jù)錯(cuò)誤類型來處理。如果錯(cuò)誤為EINTR表示在寫的時(shí)候出現(xiàn)了中斷錯(cuò)誤。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對(duì)方已經(jīng)關(guān)閉了連接)。

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

int close(int fd);

close一個(gè)TCP socket的缺省行為時(shí)把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。該描述字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個(gè)參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)-1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請(qǐng)求。

示例代碼

socket

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

bind

//新建一個(gè)地址結(jié)構(gòu)體，用來bind()
struct sockaddr_in addr; 
// 內(nèi)存大小
addr.sin_len=sizeof(addr);
// 地址族，在socket編程中只能是AF_INET
addr.sin_family=AF_INET;
// 端口號(hào)
addr.sin_port=htons(1024);
// 按照網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序存儲(chǔ)IP地址
addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;

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

listen

//監(jiān)聽fd端口的消息
listen(fd, 10);

connect

//先將服務(wù)器端信息保存在一個(gè)sockaddr結(jié)構(gòu)體中
struct sockaddr_in serveraddr;

serveraddr.sin_len=sizeof(serveraddr);
//協(xié)議族
serveraddr.sin_family=AF_INET;
// 服務(wù)器端口
serveraddr.sin_port=htons(1024);
// 服務(wù)器的地址
serveraddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.2.5");
socklen_t addrLen;
addrLen =sizeof(serveraddr);

//連接服務(wù)器端
connect(fd, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrLen);

accept

//接收到客戶端請(qǐng)求，把得到的對(duì)端socket存儲(chǔ)在peerfd中等待后續(xù)通信
peerfd = accept(fd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &addrLen);

send

char buf[1024];
//向?qū)Χ税l(fā)送數(shù)據(jù)
send(peerfd, buf, 1024, 0);

recv

char buf[1024]
//接收數(shù)據(jù)
recv(fd, buf, len, 0);

TCP/IP的三次握手與四次揮手

三次握手
四次揮手

補(bǔ)充內(nèi)容

INADDR_ANY

在用bind()綁定一個(gè)socket的時(shí)候，地址中的

 struct in_addr sin_addr;            /* internet address */

可能被綁定為INADDR_ANY，這表示指定為0.0.0.0的地址，這其實(shí)表示“任意地址”。

  • 一般情況下，如果你要建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序，則你要通知服務(wù)器操作系統(tǒng)：請(qǐng)?jiān)谀车刂?xxx.xxx.xxx.xxx上的某端口 yyyy上進(jìn)行偵聽，并且把偵聽到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給我。這個(gè)過程，你是通過bind()系統(tǒng)調(diào)用完成的。也就是說，你的程序要綁定服務(wù)器的某地址，或者說：把服務(wù)器的某地址上的某端口占為已用。服務(wù)器操作系統(tǒng)可以給你這個(gè)指定的地址，也可以不給你。

  • 如果你的服務(wù)器有多個(gè)網(wǎng)卡（每個(gè)網(wǎng)卡上有不同的IP地址），而你的服務(wù)（不管是在udp端口上偵聽，還是在tcp端口上偵聽），出于某種原因：可能是你的服務(wù)器操作系統(tǒng)可能隨時(shí)增減IP地址，也有可能是為了省去確定服務(wù)器上有什么網(wǎng)絡(luò)端口（網(wǎng)卡）的麻煩 —— 可以要在調(diào)用bind()的時(shí)候，告訴操作系統(tǒng)：“我需要在 yyyy 端口上偵聽，所有發(fā)送到服務(wù)器的這個(gè)端口，不管是哪個(gè)網(wǎng)卡/哪個(gè)IP地址接收到的數(shù)據(jù)，都是我處理的。”這時(shí)候，服務(wù)器程序則在0.0.0.0這個(gè)地址上進(jìn)行偵聽。

  • 在使用了INADDR_ANY以后，如果需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則必須獲取準(zhǔn)確的地址，要用到

    getsockname();

這個(gè)方法必須要在建立了連接之后調(diào)用，可以獲得跟某一socket相關(guān)的特定IP地址，這個(gè)方法返回的IP地址直接存儲(chǔ)在參數(shù)中。如果沒有建立連接就調(diào)用，則會(huì)返回0.0.0.0。

獲取地址

用getsockname獲得本地ip和port

用getpeername獲得對(duì)端ip和port

套接字socket必須是已連接套接字描述符。

字節(jié)順序

字節(jié)順序

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序與本地字節(jié)順序之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)：

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

本文參考

Socket - AZLIn
Linux Socket編程 - 吳秦

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