网络编程

Network On iOS

"Using Socket On iOS"

Posted by Wxk on February 21, 2016

网络编程

本章目录：

  1. 网络编程基础
  2. Socket通信
  3. CFNetwork通信
  4. NSStream通信
  5. NSURL通信
  6. 第三方框架通信
  7. 自定义框

一、网络编程基础

网络编程对于任何联网终端对应的平台来说都是至关重要的，包括iOS平台。在笔者目前的开发过程中，几乎全部应用程序都是和网络打交道的（除了一款毕设游戏外），掌握网络编程对于一个开发者的重要性无需再多解释。本章我们将由深入浅再到深去了解网络编程。4、5、6节应该是最简单的章节，也是目前大多数程序员掌握的部分，如果想要更加灵活的使用网络，必须学会2、3、4，熟练使用后，最终我们就可以拔高，自己开发一套网络框架给自己、给公司或者全人类一起使用。

本节我们将从宏观理解网络的构成，以及一些专业术语。本节不仅限于iOS或Mac OS开发，而是整个互联网。

1. 沟通的升级

当我们尝试和其他人或事物进行沟通时，我们的沟通方式会逐渐加深，由最初非常简单方式演变为更加熟练的沟通方式。网络的传输也是如此在发展，诞生了一个一个的协议，并得到了公认。

目前实现网络交互一共需要7层结构，由下至上分别是：

  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 传输层
  5. 会话层
  6. 表示层
  7. 应用层

2. 什么是协议

简单的理解，协议就是大家都要遵从的一套规则，需要我们在各个层上都遵守对应的协议，已达到传递数据的统一性，系统的稳定性。就像两个人沟通时，需要按照约定好的方式沟通，比如用声音作为媒介沟通，我们可能要遵循同一种语言协议，否则两者根本无法沟通。

3. 常见的协议

公认的协议有非常多，应用在不同的层级上。我们当然也可以定义自己的协议，可以只在自己的工程中使用。如果说协议制定的非常好而且开源，那么有可能将来会被广泛的使用，最终成为公认的协议。

3.1 IP协议

  • IP协议是网络层的协议，目前常用的是IPv4传输协议，下一代网络层协议为IPv6协议，是对IPv4的加强，提高了很多方面的性能，比如IPv6把IP地址由 32 位增加到 128 位，平均分布在地球表面上的话，每平米有 4*10^18 个 IPv6 地址，用完是几乎不可能的事，等建立外星殖民地吧。

  • IP协议主要解决终端的唯一身份认证问题，就像电话号码协议。

网络层还有一些其他的协议，比如IPX，AppleTalk DDP等等

3.2 TCP/IP协议
  • TCP/IP是传输层协议，可以从名字上看出，TCP/IP协议的前提是网络层满足IP协议。
  • TCP/IP协议主要解决的问题是数据在网络上如何传输的问题。如同数据在电话中可以用声音信号传输，后来移动电话也可以用SMS协议即短信方式的传输。
  • TCP/IP是双向传输协议，有去有回。

传输层协议还有像UDP，UGP协议等等。

3.3 HTTP协议
  • HTTP（超文本）协议，主要应用于web应用，属于应用层协议。HTTP协议是基于TCP/IP协议的。
  • 解决的问题是数据的格式规范问题

应用层协议数量是最多的，也是我们自定义协议最成熟的一层。我们使用公认的传输层、会话层和表示层协议，就可以自定义出很多的应用层协议。比如常用的FTP协议

3.4 其他层的协议

  • 第一层和第二层基本和硬件相关，笔者知之甚少，但是有些也耳熟能详的，比如IEEE 802.5/802.2 就是一种Wi-Fi协议,属于数据链路层。

  • 会话层：基本上XMPP协议是最熟知的会话层协议，比如GTalk就是用了该协议。以前的MSN和企鹅公司的QQ都使用了自己的协议。

  • 表示层：这里面基本上就是用来描述数据的格式的，这里面协议太多了：TIFF,GIF,JPEG,PICT,ASCII,EBCDIC,encryption,MPEG,MIDI,HTML等等

学习后面的内容，清楚的知道我们处理的是哪一层非常关键。

二、Socket(套接字)通信

网络进程间通信在传输层中，基本上都是用的Socket，Cocoa中使用Socket有三种方式：

  • Cocoa层：NSURL
  • Core Foundation层：基于 C 的 CFNetwork 和 CFNetServices
  • OS层:基于 C 的 BSD socket

解释：

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

其中os层中提供的BSD Socket最为灵活，但是抽象层次比较低，使用最为复杂。本节我们将学习如何使用BSD Socket基础接口编程，最终实现两个设备间的通信。

1. 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），这些函数我们在后面进行介绍。

2. Socket编程接口

2.1 Socket()

接口定义：

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

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。

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。

  • type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等

  • protocol：故名思意，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。通常使用0，会自动选择type类型对应的默认协议。

2.2 bind()

接口定义：

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

bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

函数的三个参数分别为：

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，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; 
      in_port_t      sin_port;   
      struct in_addr sin_addr;   
  };
	
  struct in_addr {
      uint32_t       s_addr;     
  };

  • 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。

2.3 listen()、connect()

接口定义：

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

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。如果使用udp协议，则不需要connect()，直接发送即可。

listen()函数的参数分别是：

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。
  • backlog 最大监听数

connect()函数的参数分别是：

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。
  • addr：连接地址
  • addrlen：地址长度

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。

2.4 accept()

接口定义：

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

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。

参数：

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。
  • addr：用于返回客户端的协议地址
  • addrlen： 地址长度

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。

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。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。

2.5 read()、write()等

接口定义：

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);

以上3组方法，可以随意使用，以recv()/send()为例，参数：

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。
  • buf：写入/发送的信息
  • len：信息长度
  • flags：标示

返回值表示本次已读（写）的长度，如果为0则表示读取（写入）完毕，如果小于0则表示读取（写入）错误

2.6 close()

接口定义：

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。

3. TCP/IP协议

TCP和UDP两种协议的区别在于，TCP需要连接，UDP不需要。TCP消息如果发生错误，会自动重发，UDP不会。所以TCP连接更加稳定，而UDP会更加节约数据量。我们也可以采取自己的方案实现UDP的数据安全。比如QQ的文件传输就是使用的UDP协议，但是同样很安全。而MSN传输文件使用的是TCP协议，所以会慢一些。

可以想象成两个人在人很多的黑房间内，如果想要交流，需要建立连接。

3.1 TCP协议建立连接的过程俗称为3次握手：

  • 客户端向服务器发送一个SYN J
  • 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
  • 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1
3.2 TCP断开连接需要4次握手：

  • 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；

  • 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；

  • 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；

  • 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

4. 代码演练

实现建立TCP服务器和TCP客户端，并且交互信息。具体参照代码。具体代码会稍后更新到Github主页中

声明：zippowxk原创文章，如要转载请联系luxuntec@163.com，保留法律权利

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