iOS下的TCP/IP

一、网络中进程之间如何通信

首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

二、什么是Socket?

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？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。

三、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数

1、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

PS：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

2、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
• addrlen：对应的是地址的长度

3、网络字节序与主机字节序

• 主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

• 网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

4、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。

5、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。

6、read()、write()等函数

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)。

网络I/O操作有下面几组：

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

7、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。

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。

四、iOS中CFNetwork简介

iOS网络编程层次模型分为三层：

• Cocoa层：NSURL，Bonjour，Game Kit，WebKit
• Core Foundation层：基于 C 的 CFNetwork 和 CFNetServices
• OS层:基于 C 的 BSD socket

CFNetwork 只是对 BSD socket 的进行了轻量级的封装，在 iOS 中使用 CFNetwork 有一个显著的好处，那就是 CFNetwork 与 run-loop 结合得很好。每一个线程都有自己的 run-loop，因此我们可以 CFNetwork 当中事件源加入到 run-loop 中，这样就可以在线程的 run-loop 中处理网络事件了

1、创建流

void CFStreamCreatePairWithSocketToHost(CFAllocatorRef alloc, CFStringRef host, UInt32 port, CFReadStreamRef *readStream, CFWriteStreamRef *writeStream);

该函数使用 host 以及 port，CFNetwork 会将该 host 转换为 IP 地址，并转换为网络字节顺序。如果我们只需要一个 socket stream，我们可以将另外一个设置为 NULL

2、打开流

在使用这些 socket stream 之前，必须显式地调用其 open 函数：

Boolean CFReadStreamOpen(CFReadStreamRef stream);

Boolean CFWriteStreamOpen(CFWriteStreamRef stream);

但与 socket 不同的是，这两个接口是异步的，当成功 open 之后，如果调用方设置了获取 kCFStreamEventOpenCompleted 事件的标志的话就会调用其回调函数。

3、设置回调函数

Boolean CFReadStreamSetClient(CFReadStreamRef stream, CFOptionFlags streamEvents, CFReadStreamClientCallBack clientCB, CFStreamClientContext *clientContext);

Boolean CFWriteStreamSetClient(CFWriteStreamRef stream, CFOptionFlags streamEvents, CFWriteStreamClientCallBack clientCB, CFStreamClientContext *clientContext);

通过 streamEvents 标志来设置我们对哪些事件感兴趣；clientCB 是一个回调函数，当事件标志对应的事件发生时，该回调函数就会被调用；clientContext 是用于传递参数到回调函数中去。

4、调度

void CFReadStreamScheduleWithRunLoop(CFReadStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

void CFWriteStreamScheduleWithRunLoop(CFWriteStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

当设置好回调函数之后，我们可以将 socket stream 当做事件源调度到 run-loop 中去，这样 run-loop 就能分发该 socket stream 的网络事件了。

5、读取、写入数据

CFIndex CFReadStreamRead(CFReadStreamRef stream, UInt8 *buffer, CFIndex bufferLength);

CFIndex CFWriteStreamWrite(CFWriteStreamRef stream, const UInt8 *buffer, CFIndex bufferLength);

6、移除事件源

void CFReadStreamUnscheduleFromRunLoop(CFReadStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

void CFWriteStreamUnscheduleFromRunLoop(CFWriteStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

在我们不再关心该 socket stream 的网络事件时，记得要调用如下接口将 socket stream 从 run-loop 的事件源中移除。

7、关闭流

void CFReadStreamClose(CFReadStreamRef stream);

void CFWriteStreamClose(CFWriteStreamRef stream);

五、CocoaAsyncSocket简介

CocoaAsyncSocket是谷歌的开发者，基于BSD-Socket写的一个IM框架，它给Mac和iOS提供了易于使用的、强大的异步套接字库，向上封装出简单易用OC接口。省去了我们面向Socket以及数据流Stream等繁琐复杂的编程。

整个库就这么两个类，一个基于TCP，一个基于UDP。其中基于TCP的GCDAsyncSocket，大概8000多行代码。而GCDAsyncUdpSocket稍微少一点，也有5000多行。之前这个框架还有一个runloop版的，不过因为功能重叠和其它种种原因，后续版本便废弃了，现在仅有GCD版本。

1、初始化

-(id)initWithDelegate:(id)aDelegate delegateQueue:(dispatch_queue_t)dq

• 代理、以及代理queue的赋值
• 生成了一个socketQueue，这个queue是串行的，我们看代码就会知道它贯穿于这个类的所有地方。所有对socket以及一些内部数据的相关操作，都需要在这个串行queue中进行。这样使得整个类没有加一个锁，就保证了整个类的线程安全
• 创建了两个读写队列（本质数组），接下来我们所有的读写任务，都会先追加在这个队列最后，然后每次取出队列中最前面的任务，进行处理
• 创建了一个全局的数据缓冲区：preBuffer，我们所操作的数据，大部分都是要先存入这个preBuffer中，然后再从preBuffer取出进行处理的。

2、connect

-(BOOL)connectToHost:(NSString *)host onPort:(uint16_t)port withTimeout:(NSTimeInterval)timeout error:(NSError **)errPtr

• 先做了一个前置的错误检查：preConnectWithInterface:(NSString *)interface error:(NSError **)errPtr主要是对连接的一个属性参数的判断，如果不齐全的话，则填充错误指针，并且返回NO
• 创建服务端server地址数据：lookupHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port error:(NSError **)errPtr
• 开始连接：lookup:(int)aStateIndex didSucceedWithAddress4:(NSData *)address4 address6:(NSData *)address6
• 创建socket，connect:connectWithAddress4:(NSData *)address4 address6:(NSData *)address6 error:(NSError **)errPtr
• 连接成功后，调用代理方法：socket:(GCDAsyncSocket *)sock didConnectToHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port

3、写数据

writeData:(NSData *)data withTimeout:(NSTimeInterval)timeout tag:(long)tag

• 将数据写入writeQueue中保存
• 调用socket的write写入数据
• 如果writeQueue中还有数据则递归调用再次写入

测试服务端可利用：nc -lk 端口号:始终监听本地计算机此端口的数据