iOS开发——socket编程和GCDAsyncSocket
一、socket
1.网络体系结构和网络协议
在说socket之前，先要简单说一说网络体系结构。OSI（Open System Interconnection Reference， 开放式系统互联通信参考）将计算机网络体系结构划分为以下七层：
网络七层
其中媒体层是网络工程师所研究的对象，主机层则是用户所面向和关心的内容。
常应用到的传输协议有http协议、tcp/udp协议、ip协议分别对应于应用层、传输层、网络层。TCP/IP是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输；而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。
我们在传输数据时，可以只使用传输层（TCP/IP），那样的话由于没有应用层，便无法识别数据内容，如果想要使传输的数据有意义，则必须使用应用层协议，应用层协议很多，有HTTP、FTP、TELNET等等，也可以自己定义应用层协议。WEB使用HTTP作传输层协议，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。
2.Http和Socket连接区别
2.1 socket连接:
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。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”。
socket连接就是所谓的长连接，理论上客户端和服务器端一旦加你其连接将不会主动断掉；但是由于各种环境因素可能会连接断开，比如说：服务器端或客户端主机down了，网络故障，或者两者之间长时间没有传输数据，网络防火墙可能会断开该连接以释放网络资源。所以当一个socket连接中没有数据传输的时候，那么为了维持连接需要发送心跳消息，具体心跳消息格式是开发者自己定义的。
2.2 HTTP连接
HTTP协议即超文本传送协议(HypertextTransfer 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”。
1）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。
2）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。通常的 做法是即时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。
二.GCDAsyncSocket
在iOS开发中使用socket，一般都是用第三方库GCDAsyncSocket（虽然也有原生CFSocket）。
GCDAsyncSocket 下载地址: GCDAsyncSocket
使用之前需要先在项目引入ASyncSocket库：
- 把ASyncSocket库源码加入项目：只需要增加RunLoop目录中的AsyncSocket.h、AsyncSocket.m、AsyncUdpSocket.h和AsyncUdpSocket.m四个文件。
- 在项目增加CFNetwork框架：在Framework目录右健,选择Add-->Existing Files... , 选择 CFNetwork.framework
下面开始介绍一下如何使用ASyncSocket：
一般来说，一个用户只需要建立一个socket长连接，所以可以用单例类方便使用。
单例方法
// 创建单例
+ (Singleton *) sharedInstance
{
static Singleton *sharedInstace = nil;
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
sharedInstace = [[self alloc] initPrivate];
});
return sharedInstace;
}
// 私有创建方法，不公开
- (instancetype)initPrivate {
if (self = [super init]) {
_lockStr = @"1234";
}
return self;
}
// 废除init创建方法
- (instancetype)init {
@throw [NSException exceptionWithName:@"初始化异常" reason:@"不允许通过init方法创建对象" userInfo:nil];
}
建立socket长连接
#define TIME_OUT 20
// 建立socket连接
-(void)socketConnectHost{
_socket = [[GCDAsyncSocket alloc] initWithDelegate:self delegateQueue:dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0)];
NSLog(@"连接服务器");
NSError *error = nil;
[_socket connectToHost:_socketHost onPort:_socketPort withTimeout:TIME_OUT error:&error];
}
// socket成功连接回调
-(void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didConnectToHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port {
NSLog(@"成功连接到%@:%d",host,port);
_bufferData = [[NSMutableData alloc] init]; // 存储接收数据的缓存区
[_socket readDataWithTimeout:-1 tag:99];
}
心跳###
@property (nonatomic, retain) NSTimer *heartTimer; // 心跳计时器
在连接成功的回调方法里，启动定时器，每隔2秒向服务器发送固定的消息来检测长连接。
// 心跳连接
-(void)longConnectToSocket{
根据服务器要求发送固定格式的数据，假设为指令@"longConnect"，但是一般不会是这么简单的指令
NSString *longConnect = @"longConnect";
NSData *dataStream = [longConnect dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
[_socket writeData:dataStream withTimeout:1 tag:1];
}
断开连接###
- 主动断开
- (void)cutOffSocket {
[_socket disconnect];
_socket.userData = @(SocketOfflineByUser);
NSLog(@"断开连接");
}
- 被动断开
-(void)socketDidDisconnect:(GCDAsyncSocket *)sock withError:(NSError *)err {
if (err.code == 57) {
_socket.userData = @(SocketOfflineByWifiCut); // wifi断开
}
else {
_socket.userData = @(SocketOfflineByServer); // 服务器掉线
}
NSLog(@"断开连接，错误：%@",err);
}
错误码请见 sys/errno.h
发送消息
// 发消息
- (void)sendMessage:(NSData *)data {
[_socket writeData:data withTimeout:TIME_OUT tag:10];
}
// wirte成功
-(void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didWriteDataWithTag:(long)tag
{
// 持续接收数据
// 超时设置为附属，表示不会使用超时
[_socket readDataWithTimeout:-1 tag:tag];
}
接收消息
-(void)socket:(GCDAsyncSocket *)sock didReadData:(NSData *)data withTag:(long)tag {
// 在这里处理消息
[self disposeBufferData:data];
//持续接收服务端的数据
[sock readDataWithTimeout:-1 tag:tag];
}
粘包
最后说说战报的问题和相关处理。粘包是指发送方发送的若干包数据到接收方接收时粘成一包，TCP传输往往会出现粘包。出现粘包现象的原因是多方面的，它既可能由发送方造成，也可能由接收方造成。发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一包数据。若连续几次发送的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一包后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。接收方引起的粘包是由于接收方用户进程不及时接收数据，从而导致粘包现象。这是因为接收方先把收到的数据放在系统接收缓冲区，用户进程从该缓冲区取数据，若下一包数据到达时前一包数据尚未被用户进程取走，则下一包数据放到系统接收缓冲区时就接到前一包数据之后，而用户进程根据预先设定的缓冲区大小从系统接收缓冲区取数据，这样就一次取到了多包数据。
为了避免粘包现象，可采取以下几种措施。一是对于发送方引起的粘包现象，用户可通过编程设置来避免，TCP提供了强制数据立即传送的操作指令push，TCP软件收到该操作指令后，就立即将本段数据发送出去，而不必等待发送缓冲区满；二是对于接收方引起的粘包，则可通过优化程序设计、精简接收进程工作量、提高接收进程优先级等措施，使其及时接收数据，从而尽量避免出现粘包现象；三是由接收方控制，将一包数据按结构字段，人为控制分多次接收，然后合并，通过这种手段来避免粘包。
以上提到的三种措施，都有其不足之处。第一种编程设置方法虽然可以避免发送方引起的粘包，但它关闭了优化算法，降低了网络发送效率，影响应用程序的性能，一般不建议使用。第二种方法只能减少出现粘包的可能性，但并不能完全避免粘包，当发送频率较高时，或由于网络突发可能使某个时间段数据包到达接收方较快，接收方还是有可能来不及接收，从而导致粘包。第三种方法虽然避免了粘包，但应用程序的效率较低，对实时应用的场合不适合。
一种比较周全的对策是：接收方创建一预处理线程，对接收到的数据包进行预处理，将粘连的包分开。具体的方法就是在发送数据是在数据前加入包头，接收时首先将待处理的接收数据流（长度为m）强行转换成预定的结构数据形式，并从中取出结构数据长度字段n，而后根据n计算得到第一包数据长度。
1)若n<m，则表明数据流内容超过一段完整的数据结构，将前n长度的数据截取并进行处理，对于剩下的m-n长度数据重复上述解析和判断。
2)若n=m，则表明数据流内容恰好是一完整结构数据，直接将其存入临时缓冲区即可。
3)若n>m，则表明数据流内容尚不够构成一完整结构数据，需留待与下一包数据合并后再行处理。
下面是我和服务器约定好的包头和包的类型
// 定义包头
typedef struct tagNetPacketHead
{
int version; //版本
int eMainType; //包类型主协议
int eSubType; //包类型子协议
unsigned int nLen; //包体长度
} NetPacketHead;
// 定义发包类型
typedef struct tagNetPacket
{
NetPacketHead netPacketHead; //包头
unsigned char *packetBody; //包体
} NetPacket;
收到数据时先将收到的数据放到缓存中，然后进行上述判断。
- (void)disposeBufferData:(NSData *)data {
@synchronized (self.lockStr) {
[_bufferData appendData:data];
while (_bufferData.length >= 16) {
struct tagNetPacketHead head;
[_bufferData getBytes:&head range:NSMakeRange(0, 16)];
while (_bufferData.length >= 16 && !(head.version == 1 && head.eMainType > -10 && head.eMainType < 1000 && head.eSubType > - 10 && head.eSubType < 1000)) {
int a = (int)_bufferData.length - 1;
_bufferData = [_bufferData subdataWithRange:NSMakeRange(1, a)].mutableCopy;
if (_bufferData.length >= 16) {
[_bufferData getBytes:&head range:NSMakeRange(0, 16)];
}
}
BOOL isIn = !(head.nLen > (_bufferData.length - 16));
if (isIn && _bufferData.length >= 16) {
NSMutableData *pendingData = [NSMutableData data];
if (head.eSubType == -1) {
pendingData = [_bufferData subdataWithRange:NSMakeRange(4, 4)].mutableCopy;
[pendingData appendData:[_bufferData subdataWithRange:NSMakeRange(16, head.nLen)]];
}
else {
pendingData = [_bufferData subdataWithRange:NSMakeRange(4, 8)].mutableCopy;
NSLog(@"%d", head.nLen);
[pendingData appendData:[_bufferData subdataWithRange:NSMakeRange(16, head.nLen)]];
}
[DisposeManager disposeData:pendingData num:head.eMainType];
int totalLen = _bufferData.length;
_bufferData = [_bufferData subdataWithRange:NSMakeRange(16 + head.nLen, totalLen - 16 - head.nLen)].mutableCopy;
}
}
}
}
注意：在这里加入线程锁@synchronized (self.lockStr)，防止缓冲区同时被多个线程访问发生缓冲区数据混乱。
发送数据时则需要将数据按照约定的结构进行处理，在前边加上包头。
- (NSMutableData *)linkDataWithVersion:(NSData *)versionData mainType:(int)mainType subType:(int)subType packetBody:(NSData *)packetBody{
if (!versionData) {
int version = 1;
versionData = [NSMutableData dataWithBytes:&version length:sizeof(version)];
}
NSMutableData *mainTypeData = [NSMutableData dataWithBytes:&mainType length:sizeof(mainType)];
NSMutableData *subTypeData = [NSMutableData dataWithBytes:&subType length:sizeof(subType)];
unsigned int len;
if (packetBody) {
len = packetBody.length;
}
else {
len = 0;
}
NSMutableData *lenData = [NSMutableData dataWithBytes:&len length:sizeof(len)];
NSMutableData *sendData = [[NSMutableData alloc] init];
[sendData appendData:versionData];
[sendData appendData:mainTypeData];
[sendData appendData:subTypeData];
[sendData appendData:lenData];
[sendData appendData:packetBody];
return sendData.mutableCopy;
}
注：这里的mainTypeData和subTypeData只是和本工程相关的主协议和子协议，并不具备普遍性。
注：version和服务器端约定好是1。
