网络层

iOS网络编程

2018-08-01  本文已影响119人  陵无山

网络编程

1. 概论

    两个通信设备(具有网卡)通过网络进行数据的传播与交换

2. SOCKET原理

socket的概念

        socket是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。
        处于应用层和传输层之间；socket包含进行网络通信必须的五种信息：
                                ①连接使用的协议，
                                ②本地主机的IP地址，
                                ③本地进程的协议端口，
                                ④远地主机的IP地址，
                                ⑤远地进程的协议端口
        socket出现解决了“TCP同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题”

建立socket连接

        建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，
        称为ClientSocket，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。
        套接字之间的连接过程分为三个步骤：
        1.服务器监听
        2.客户端请求
        3.连接确认

* 服务器监听
        
            服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，
            实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。
            
* 使用socket()函数创建一个socket
        
                int socket(int domain, int type, int protocol);
    
    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。
    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
      
* 调用bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket
            
                int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
    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
    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： 
    * **addrlen**：对应的是地址的长度。
    
* 调用listen()函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求

            int listen(int sockfd, int backlog);
        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。

进行网络通信

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

服务器与客户已经建立好连接就可以调用网络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：

断开连接

int close(int fd);

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。

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。

socket中TCP的三次握手建立连接

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

3. HTTP协议

4. HTTPS协议

5.上面知识的总结

6. WebSocket协议

什么是WebSocket

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。

为什么需要 WebSocket

WebSocket的特点

  1. 最大特点就是，服务器可以主动向客户端推送信息，客户端也可以主动向服务器发送信息，是真正的双向平等对话，属于服务器推送技术的一种。

  2. 建立在 TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。

  3. 与 HTTP 协议有着良好的兼容性。默认端口也是80和443，并且握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手时不容易屏蔽，能通过各种 HTTP 代理服务器。

  4. 数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。

  5. 可以发送文本，也可以发送二进制数据。

  6. 没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。

  7. 协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL。

      ws://example.com:80/some/path

    [站外图片上传中...(image-7622f3-1533130904939)]

WebSocket如何工作

在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要做一个握手的动作，然后，浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道。两者之间就直接可以数据互相传送。
浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求，连接建立以后，客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。

注意：Web浏览器和服务器都必须实现 WebSockets 协议来建立和维护连接。由于 WebSockets 连接长期存在，与典型的HTTP连接不同，对服务器有重要的影响。
基于多线程或多进程的服务器无法适用于 WebSockets，因为它旨在打开连接，尽可能快地处理请求，然后关闭连接。任何实际的 WebSockets 服务器端实现都需要一个异步服务器。

  1. 创建WebSocket对象
    以下 API 用于创建 WebSocket 对象：

     var Socket = new WebSocket(url, [protocol] );

    以上代码中的第一个参数 url, 指定连接的 URL。第二个参数 protocol 是可选的，指定了可接受的子协议。
    当你获取 Web Socket 连接后，你可以通过 send() 方法来向服务器发送数据，并通过 onmessage 事件来接收服务器返回的数据。

  2. WebSocket 属性
    以下是 WebSocket 对象的属性。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

    属性 描述
    Socket.readyState 只读属性 readyState 表示连接状态，可以是以下值： 0 - 表示连接尚未建立 1 - 表示连接已建立，可以进行通信 2 - 表示连接正在进行关闭 3 - 表示连接已经关闭或者连接不能打开
    Socket.bufferedAmount 只读属性 bufferedAmount表示：已被 send() 放入正在队列中等待传输，但是还没有发出的 UTF-8 文本字节数

  3. WebSocket 事件
    以下是 WebSocket 对象的相关事件。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

    事件 事件处理程序 描述
    open Socket.onopen 连接建立时触发
    message Socket.onmessage 客户端接收服务端数据时触发
    error Socket.onerror 通信发生错误时触发
    close Socket.onclose 连接关闭时触发

  4. WebSocket 方法
    以下是 WebSocket 对象的相关方法。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

    方法 描述
    Socket.send() 使用连接发送数据
    Socket.close() 关闭连接

  5. WebSocket 实例
    WebSocket客户端iOS实现：facebook的框架SRWebSocket

    • 接口

      @interface SRWebSocket : NSObject
// 构造方法
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request;
// 打开之前设置代理
@property (nonatomic, weak) id <SRWebSocketDelegate> delegate;
// Open 
- (void)open;
// Close 
- (void)close;
// Send a Data
- (void)sendData:(nullable NSData *)data error:(NSError **)error;
// Send a UTF8 String
- (void)sendString:(NSString *)string error:(NSError **)error;
@end

    • 实现代理SRWebSocketDelegate

      @protocol SRWebSocketDelegate <NSObject>
@optional
- (void)webSocketDidOpen:(SRWebSocket *)webSocket;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceiveMessageWithString:(NSString *)string;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceiveMessageWithData:(NSData *)data;

- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didFailWithError:(NSError *)error;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didCloseWithCode:(NSInteger)code reason:(nullable NSString *)reason wasClean:(BOOL)wasClean;
@end

7. MQTT协议

1. 什么是MQTT协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用

2. MQTT协议的主要特征

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

3. MQTT协议原理

MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端协同完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）
（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。
当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端的行为有：

MQTT服务器

MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它的行为有：

MQTT协议中的订阅、主题、会话

  1. 订阅（Subscription）
    订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

  2. 会话（Session）
    每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

  3. 主题名（Topic Name）
    连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

  4. 主题筛选器（Topic Filter）
    一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

  5. 负载（Payload）
    消息订阅者所具体接收的内容。

MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

4. MQTT协议数据包结构

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：

MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中,它包括：

MQTT可变头

MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是作为包的标识：
很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

Payload消息体

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

5. MQTT客户端的iOS实现

参考文章：MQTT - iOS实现

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