iOS 网络（初探socket）

基本概念

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。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）.说白了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。在设计模中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。Socket中处于应用层与传输层之间，如图：

随着Unix的应用推广，套接字有被引进了windows等操作系统。套接字通常只与同一区域的套接字交换数据，windows socket只支持一个通信区域：网际域（AF_INET),这个域被使用忘记协议簇的通信进程使用。

套接字socket的类型

• 流式套接字（SOCK_STREAM)：提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复的发送，且按发送顺序接收（TCP协议）
• 数据报式套接字（SOCK_DGRAM)：提供无连接服务，数据包以独立包形式发送，不提供无措保证，数据可能丢失，并且接收顺序混乱（UDP协议）
• 原始套接字（SOCK_RAM)

socket API

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

bind()函数

正如上面所说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。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
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; /* 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对应的是：

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域对应的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108

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

• addrlen：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。

listen()、connect()函数

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。

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

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。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()函数

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。

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

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。

read()、write()函数等

万事具备只欠东风，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()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。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()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
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。

socket编程

TCP

TCP协议中客户端与服务端流程图如下：

TCP的传输整个流程用下图表示：

客户端代码：

#import "DemoViewController.h"
#import <sys/socket.h>
#import <netinet/in.h>
#import <arpa/inet.h>

#define PORT 8040        //目标地址端口号
#define ADDR "127.0.0.1" //目标地址IP
@interface DemoViewController ()

@end

@implementation DemoViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    int iSocketFD = 0; //socket句柄
    unsigned int iRemoteAddr = 0;
    struct sockaddr_in stRemoteAddr = {0}; //对端，即目标地址信息
    char buf[4096] = {0}; //存储接收到的数据
    
    iSocketFD = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立socket
    if(0 > iSocketFD)
    {
        printf("创建socket失败！\n");
        return ;
    }
    
    stRemoteAddr.sin_family = AF_INET;
    stRemoteAddr.sin_port = htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET, ADDR, &iRemoteAddr);
    stRemoteAddr.sin_addr.s_addr=iRemoteAddr;
    
    //连接方法： 传入句柄，目标地址，和大小
    if(0 > connect(iSocketFD, (void *)&stRemoteAddr, sizeof(stRemoteAddr)))
    {
        NSLog(@"连接失败！");
    }else{
        NSLog(@"连接成功");
        recv(iSocketFD, buf, sizeof(buf), 0);
        NSLog(@"Received:%s", buf);
    }
    close(iSocketFD);//关闭socket
}
@end

服务端：

#import "ServerViewController.h"
#import <sys/socket.h>
#import <netinet/in.h>
#import <arpa/inet.h>

#define PORT 8040        //目标地址端口号
#define BACKLOG 5        //最大监听数


@interface ServerViewController ()

@end

@implementation ServerViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    int iSocketFD = 0;  //socket句柄
    int iRecvLen = 0;   //接收成功后的返回值
    int new_fd = 0;     //建立连接后的句柄
    char buf[4096] = {0}; //
    struct sockaddr_in stLocalAddr = {0}; //本地地址信息结构图，下面有具体的属性赋值
    struct sockaddr_in stRemoteAddr = {0}; //对方地址信息
    socklen_t socklen = 0;
    
    iSocketFD = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立socket
    if(0 > iSocketFD)
    {
        NSLog(@"创建socket失败！");
        return;
    }
    
    stLocalAddr.sin_family = AF_INET;  /*该属性表示接收本机或其他机器传输*/
    stLocalAddr.sin_port = htons(PORT); /*端口号*/
    stLocalAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); /*IP，括号内容表示本机IP*/
    
    //绑定地址结构体和socket
    if(0 > bind(iSocketFD, (void *)&stLocalAddr, sizeof(stLocalAddr)))
    {
        NSLog(@"绑定失败！");
        return;
    }
    
    //开启监听 ，第二个参数是最大监听数
    if(0 > listen(iSocketFD, BACKLOG))
    {
        NSLog(@"监听失败！");
        return;
    }
    
    NSLog(@"iSocketFD: %d", iSocketFD);
    //在这里阻塞知道接收到消息，参数分别是socket句柄，接收到的地址信息以及大小
    new_fd = accept(iSocketFD, (void *)&stRemoteAddr, &socklen);
    if(0 > new_fd)
    {
        NSLog(@"接收失败！");
        return;
    }else{
        NSLog(@"接收成功！");
        //发送内容，参数分别是连接句柄，内容，大小，其他信息（设为0即可）
        send(new_fd, "这是服务器接收成功后发回的信息!", sizeof("这是服务器接收成功后发回的信息!"), 0);
    }
    
    NSLog(@"new_fd: %d", new_fd);
    iRecvLen = (int)recv(new_fd, buf, sizeof(buf), 0);
    if(0 >= iRecvLen)    //对端关闭连接 返回0
    {
        NSLog(@"接收失败或者对端关闭连接！");
    }else{
        NSLog(@"buf: %s", buf);
    }
    
    close(new_fd);
    close(iSocketFD);
    
}
@end

UDP

udp的客户端和服务端的概念不是很突出，说白了udp只要实现了接收和发送的功能即可

客户端：

#import "UdpClientViewController.h"
#import <sys/socket.h>
#import <netinet/in.h>
#import <arpa/inet.h>

#define PORT 8040        //目标地址端口号
#define ADDR "127.0.0.1" //目标地址IP

@interface UdpClientViewController ()

@end

@implementation UdpClientViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    int clientSocketId;
    ssize_t len;
    socklen_t addrlen;
    struct sockaddr_in client_sockaddr;
    char buffer[256] = "Hello, server, how are you?";
    
    // 第一步：创建Socket
    clientSocketId = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(clientSocketId < 0) {
        NSLog(@"creat client socket fail\n");
        return;
    }
    
    addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
    bzero(&client_sockaddr, addrlen);
    client_sockaddr.sin_family = AF_INET;
    client_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ADDR);
    client_sockaddr.sin_port = htons(PORT);
    
    int count = 10;
    do {
        bzero(buffer, sizeof(buffer));
        sprintf(buffer, "%s", "Hello, server, how are you?");
        
        // 第二步：发送消息到服务端
        // 注意:UDP是面向无连接的，因此不用调用connect()
        // 将字符串传送给server端
        len = sendto(clientSocketId, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_sockaddr, addrlen);
        
        if (len > 0) {
            NSLog(@"发送成功");
        } else {
            NSLog(@"发送失败");
        }
        
        // 第三步：接收来自服务端返回的消息
        // 接收server端返回的字符串
        bzero(buffer, sizeof(buffer));
        len = recvfrom(clientSocketId, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_sockaddr, &addrlen);
        NSLog(@"receive message from server: %s", buffer);
        
        count--;
    } while (count >= 0);
    
    // 第四步：关闭socket
    // 由于是面向无连接的，消息发出处就可以了，不用管它收不收得到，发完就可以关闭了
    close(clientSocketId);
}
@end

服务端：

#import "UdpServerViewController.h"
#import <sys/socket.h>
#import <netinet/in.h>
#import <arpa/inet.h>

@interface UdpServerViewController ()

@end

@implementation UdpServerViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    int serverSockerId = -1;
    ssize_t len = -1;
    socklen_t addrlen;
    char buff[1024];
    struct sockaddr_in ser_addr;
    
    // 第一步：创建socket
    // 注意，第二个参数是SOCK_DGRAM，因为udp是数据报格式的
    serverSockerId = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    
    if(serverSockerId < 0) {
        NSLog(@"Create server socket fail");
        return;
    }
    
    addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
    bzero(&ser_addr, addrlen);
    
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    ser_addr.sin_port = htons(1024);
    
    // 第二步：绑定端口号
    if(bind(serverSockerId, (struct sockaddr *)&ser_addr, addrlen) < 0) {
        NSLog(@"server connect socket fail");
        return;
    }
    
    do {
        bzero(buff, sizeof(buff));
        
        // 第三步：接收客户端的消息
        len = recvfrom(serverSockerId, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&ser_addr, &addrlen);
        // 显示client端的网络地址
        NSLog(@"receive from %s\n", inet_ntoa(ser_addr.sin_addr));
        // 显示客户端发来的字符串
        NSLog(@"recevce:%s", buff);
        
        // 第四步：将接收到的客户端发来的消息，发回客户端
        // 将字串返回给client端
        sendto(serverSockerId, buff, len, 0, (struct sockaddr *)&ser_addr, addrlen);
    } while (strcmp(buff, "exit") != 0);
    
    // 第五步：关闭socket
    close(serverSockerId);
}

@end

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参考文章

Socket编程（C语言实现）——基于TCP协议，基于UDP协议(多线程，循环监听）(网络间通信AF_INET，典型的TCP/IP四型模型的通信过程)
socket编程及API简介