iOS開發之Socket編程

網絡中的進程是通過socket來通信的，那什么是socket呢？socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉），這些函數我們在后面進行介紹。

一、網絡各個協議：TCP/IP、SOCKET、HTTP等

網絡七層由下往上分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

其中物理層、數據鏈路層和網絡層通常被稱作媒體層，是網絡工程師所研究的對象；

傳輸層、會話層、表示層和應用層則被稱作主機層，是用戶所面向和關心的內容。

http協議對應於應用層

tcp協議對應於傳輸層

ip協議對應於網絡層

三者本質上沒有可比性。  何況HTTP協議是基於TCP連接的。

TCP/IP是傳輸層協議，主要解決數據如何在網絡中傳輸；而HTTP是應用層協議，主要解決如何包裝數據。

我 們在傳輸數據時，可以只使用傳輸層（TCP/IP），但是那樣的話，由於沒有應用層，便無法識別數據內容，如果想要使傳輸的數據有意義，則必須使用應用層 協議，應用層協議很多，有HTTP、FTP、TELNET等等，也可以自己定義應用層協議。WEB使用HTTP作傳輸層協議，以封裝HTTP文本信息，然 后使用TCP/IP做傳輸層協議將它發送到網絡上。Socket是對TCP/IP協議的封裝，Socket本身並不是協議，而是一個調用接口（API），通過Socket，我們才能使用TCP/IP協議。

二、Http和Socket連接區別

相信不少初學手機聯網開發的朋友都想知道Http與Socket連接究竟有什么區別，希望通過自己的淺顯理解能對初學者有所幫助。

2.1、TCP連接

要想明白Socket連接，先要明白TCP連接。手機能夠使用聯網功能是因為手機底層實現了TCP/IP協議，可以使手機終端通過無線網絡建立TCP連接。TCP協議可以對上層網絡提供接口，使上層網絡數據的傳輸建立在“無差別”的網絡之上。

建立起一個TCP連接需要經過“三次握手”：

第一次握手：客戶端發送syn包(syn=j)到服務器，並進入SYN_SEND狀態，等待服務器確認；

第二次握手：服務器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態；

第三次握手：客戶端收到服務器的SYN＋ACK包，向服務器發送確認包ACK(ack=k+1)，此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。

握手過程中傳送的包里不包含數據，三次握手完畢后，客戶端與服務器才正式開始傳送數據。理想狀態下，TCP連接一旦建立，在通信雙方中的任何一方主動關閉連

接之前，TCP連接都將被一直保持下去。斷開連接時服務器和客戶端均可以主動發起斷開TCP連接的請求，斷開過程需要經過“四次握手”

戶端交互，最終確定斷開）

2.2、HTTP連接

HTTP協議即超文本傳送協議(HypertextTransfer Protocol )，是Web聯網的基礎，也是手機聯網常用的協議之一，HTTP協議是建立在TCP協議之上的一種應用。

HTTP連接最顯著的特點是客戶端發送的每次請求都需要服務器回送響應，在請求結束后，會主動釋放連接。從建立連接到關閉連接的過程稱為“一次連接”。

1）在HTTP 1.0中，客戶端的每次請求都要求建立一次單獨的連接，在處理完本次請求后，就自動釋放連接。

2）在HTTP 1.1中則可以在一次連接中處理多個請求，並且多個請求可以重疊進行，不需要等待一個請求結束后再發送下一個請求。

由

於HTTP在每次請求結束后都會主動釋放連接，因此HTTP連接是一種“短連接”，要保持客戶端程序的在線狀態，需要不斷地向服務器發起連接請求。通常的

做法是即時不需要獲得任何數據，客戶端也保持每隔一段固定的時間向服務器發送一

次“保持連接”的請求，服務器在收到該請求后對客戶端進行回復，表明知道客

戶端“在線”。若服務器長時間無法收到客戶端的請求，則認為客戶端“下線”，若客戶端長時間無法收到服務器的回復，則認為網絡已經斷開。

三、SOCKET原理

3.1、套接字（socket）概念

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。它是網絡通信過程中端點的抽象表示，包含進行網絡通信必須的五種信息：連接使用的協議，本地主機的IP地址，本地進程的協議端口，遠地主機的IP地址，遠地進程的協議端口。

應

用層通過傳輸層進行數據通信時，TCP會遇到同時為多個應用程序進程提供並發服務的問題。多個TCP連接或多個應用程序進程可能需要通過同一個

TCP協議端口傳輸數據。為了區別不同的應用程序進程和連接，許多計算機操作系統為應用程序與TCP／IP協議交互提供了套接字(Socket)接口。應

用層可以和傳輸層通過Socket接口，區分來自不同應用程序進程或網絡連接的通信，實現數據傳輸的並發服務。

3.2 、建立socket連接

建立Socket連接至少需要一對套接字，其中一個運行於客戶端，稱為ClientSocket，另一個運行於服務器端，稱為ServerSocket。

套接字之間的連接過程分為三個步驟：服務器監聽，客戶端請求，連接確認。

服務器監聽：服務器端套接字並不定位具體的客戶端套接字，而是處於等待連接的狀態，實時監控網絡狀態，等待客戶端的連接請求。

客戶端請求：指客戶端的套接字提出連接請求，要連接的目標是服務器端的套接字。為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務器的套接字，指出服務器端套接字的地址和端口號，然后就向服務器端套接字提出連接請求。

連

接確認：當服務器端套接字監聽到或者說接收到客戶端套接字的連接請求時，就響應客戶端套接字的請求，建立一個新的線程，把服務器端套接字的描述發給客戶

端，一旦客戶端確認了此描述，雙方就正式建立連接。而服務器端套接字繼續處於監聽狀態，繼續接收其他客戶端套接字的連接請求。

 

3.3、SOCKET連接與TCP連接

創建Socket連接時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket可以支持不同的傳輸層協議（TCP或UDP），當使用TCP協議進行連接時，該Socket連接就是一個TCP連接。

3.4、Socket連接與HTTP連接

由

於通常情況下Socket連接就是TCP連接，因此Socket連接一旦建立，通信雙方即可開始相互發送數據內容，直到雙方連接斷開。但在實際網絡應用

中，客戶端到服務器之間的通信往往需要穿越多個中間節點，例如路由器、網關、防火牆等，大部分防火牆默認會關閉長時間處於非活躍狀態的連接而導致

Socket 連接斷連，因此需要通過輪詢告訴網絡，該連接處於活躍狀態。

而HTTP連接使用的是“請求—響應”的方式，不僅在請求時需要先建立連接，而且需要客戶端向服務器發出請求后，服務器端才能回復數據。

很

多情況下，需要服務器端主動向客戶端推送數據，保持客戶端與服務器數據的實時與同步。此時若雙方建立的是Socket連接，服務器就可以直接將數據傳送給

客戶端；若雙方建立的是HTTP連接，則服務器需要等到客戶端發送一次請求后才能將數據傳回給客戶端，因此，客戶端定時向服務器端發送連接請求，不僅可以

 保持在線，同時也是在“詢問”服務器是否有新的數據，如果有就將數據傳給客戶端。

3.4、Socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現，那么socket就提供了這些操作對應的函數接口。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket接口函數。

3.4.1、socket()函數

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

socket函數對應於普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用於創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別為：

• domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。

當我們調用socket創建一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

3.4.2、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

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

函數的三個參數分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
• addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是： 
  

  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 */
  };

  ipv6對應的是： 
  

  struct sockaddr_in6 { 
      sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
      in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
      uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
      struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
      uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
  };
  
  struct in6_addr { 
      unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
  };

  Unix域對應的是： 
  

  #define UNIX_PATH_MAX    108
  
  struct sockaddr_un { 
      sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
      char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
  };

• addrlen：對應的是地址的長度。

通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫做主機序。引用標准的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

　　a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

網絡字節序：4個字節的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節序。由於TCP/IP首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。

3.4.2、函數listen()、connect()函數

如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。

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

listen函數的第一個參數即為要監聽的socket描述字，第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。

3.4.3、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就想TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之后，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。

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

accept函數的第一個參數為服務器的socket描述字，第二個參數為指向struct sockaddr *的指針，用於返回客戶端的協議地址，第三個參數為協議地址的長度。如果accpet成功，那么其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個參數為服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。

3.4.4、read()、write()等函數

萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通信！網絡I/O操作有下面幾組：

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

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。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函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網絡連接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。 在網絡程序中，當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.4.5、close()函數

在服務器與客戶端建立連接之后，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。