iOS socket原理及連接過程

連接過程圖解

連接過程圖解

1.網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁時(shí)，瀏覽器的進(jìn)程怎么與web服務(wù)器通信的？當(dāng)你用QQ聊天時(shí)，QQ進(jìn)程怎么與服務(wù)器或你好友所在的QQ進(jìn)程通信？這些都得靠socket。

2.我們要討論的是網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信？首要解決的問題是如何唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程！在本地可以通過進(jìn)程PID來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，但是在網(wǎng)絡(luò)中這是行不通的。其實(shí)TCP/IP協(xié)議族已經(jīng)幫我們解決了這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)層的“ip地址”可以唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識(shí)主機(jī)中的應(yīng)用程序（進(jìn)程）。這樣利用三元組（ip地址，協(xié)議，端口）就可以標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程了，網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通信就可以利用這個(gè)標(biāo)志與其它進(jìn)程進(jìn)行交互。

那 什么是socket呢？Socket又稱"套接字"，應(yīng)用程序通常通過"套接字"向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。socket起源于Unix，而 Unix/Linux基本哲學(xué)之一 就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數(shù)就是對(duì)其進(jìn)行的操作 （讀/寫IO、打開、關(guān)閉）

3.1、socket()函數(shù)（文件的打開操作）

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

socket函數(shù)對(duì)應(yīng)于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個(gè)文件描述字，而socket()用于創(chuàng)建一個(gè)socket描述符（socket descriptor），它唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。這個(gè)socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進(jìn)行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時(shí)候，也可以指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描述符，socket函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

domain：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族（family）。常用的協(xié)議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對(duì)應(yīng)的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號(hào)（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個(gè)絕對(duì)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(xié)議。常用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對(duì)應(yīng)TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議（這個(gè)協(xié)議我將會(huì)單獨(dú)開篇討論?。?。

注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當(dāng)protocol為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇type類型對(duì)應(yīng)的默認(rèn)協(xié)議。

當(dāng)我們調(diào)用socket創(chuàng)建一個(gè)socket時(shí)，返回的socket描述字它存在于協(xié)議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個(gè)具體的地址。如果想要給它賦值一個(gè)地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)，否則就當(dāng)調(diào)用connect()、listen()時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)隨機(jī)分配一個(gè)端口。

3.2、bind()函數(shù)（主要作用：如果想要給它賦值一個(gè)地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)）

正如上面所說bind()函數(shù)把一個(gè)地址族中的特定地址賦給socket。例如對(duì)應(yīng)AF_INET、AF_INET6就是把一個(gè)ipv4或ipv6地址和端口號(hào)組合賦給socket。

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

函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。bind()函數(shù)就是將給這個(gè)描述字綁定一個(gè)名字。

• addr：一個(gè)const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個(gè)地址結(jié)構(gòu)根據(jù)地址創(chuàng)建socket時(shí)的地址協(xié)議族的不同而不同，如ipv4對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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?qū)?yīng)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(duì)應(yīng)的是地址的長(zhǎng)度。

通常服務(wù)器在啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)綁定一個(gè)眾所周知的地址（如ip地址+端口號(hào)），用于提供服務(wù)，客戶就可以通過它來接連服務(wù)器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動(dòng)分配一個(gè)端口號(hào)和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen之前會(huì)調(diào)用bind()，而客戶端就不會(huì)調(diào)用，而是在connect()時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)生成一個(gè)。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機(jī)字節(jié)序

主機(jī)字節(jié)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(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內(nèi)存中保存的順序，這個(gè)叫做主機(jī)序。引用標(biāo)準(zhǔn)的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

　a) Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。
　b) Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：4個(gè)字節(jié)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(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的二進(jìn)制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)都要求以這種次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于一個(gè)字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。

所以： 在將一個(gè)地址綁定到socket的時(shí)候，請(qǐng)先將主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序（大端模式），而不要假定主機(jī)字節(jié)序跟網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣使用的是Big-Endian。由于 這個(gè)問題曾引發(fā)過血案！公司項(xiàng)目代碼中由于存在這個(gè)問題，導(dǎo)致了很多莫名其妙的問題，所以請(qǐng)謹(jǐn)記對(duì)主機(jī)字節(jié)序不要做任何假定，務(wù)必將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再 賦給socket。

3.3、服務(wù)器監(jiān)聽socket調(diào)用：listen()、客戶端發(fā)送socket請(qǐng)求調(diào)用: connect()函數(shù)

如果作為一個(gè)服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()之后就會(huì)調(diào)用listen()來監(jiān)聽這個(gè)socket，如果客戶端這時(shí)調(diào)用connect()發(fā)出連接請(qǐng)求，服務(wù)器端就會(huì)接收到這個(gè)請(qǐng)求。

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

listen函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認(rèn)是一個(gè)主動(dòng)類型的，listen函數(shù)將socket變?yōu)楸粍?dòng)類型的，等待客戶的連接請(qǐng)求。

connect函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第三個(gè)參數(shù)為socket地址的長(zhǎng)度?？蛻舳送ㄟ^調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

3.4、服務(wù)器監(jiān)聽到socket請(qǐng)求后就會(huì)調(diào)用：accept()函數(shù)

TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就向TCP服務(wù)器發(fā)送了一個(gè)連接請(qǐng)求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)請(qǐng)求之后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收請(qǐng)求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

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

accept 函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址，第三個(gè)參數(shù)為協(xié)議地址的長(zhǎng)度。如果accpet成功，那么其返回值是由內(nèi)核自動(dòng)生成的一個(gè)全新的描述字，代表與返回 客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字。一個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽socket描述字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)一直存在。內(nèi)核為每個(gè)由服務(wù)器進(jìn)程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個(gè)已連接socket描述字，當(dāng)服務(wù)器完成了對(duì)某個(gè)客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

3.5 可以調(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進(jìn)行讀寫操作了，即實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)咯中不同進(jìn)程之間的通信！網(wǎng)絡(luò)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(shù)，這兩個(gè)函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)，

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(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時(shí)，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經(jīng)讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write 函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描述符fd.成功時(shí)返回寫的字節(jié) 數(shù)。失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno變量。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時(shí)有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時(shí)出現(xiàn)了 錯(cuò)誤。我們要根據(jù)錯(cuò)誤類型來處理。如果錯(cuò)誤為EINTR表示在寫的時(shí)候出現(xiàn)了中斷錯(cuò)誤。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對(duì)方已經(jīng)關(guān)閉了連接)。

3.6.調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件。

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

close一個(gè)TCP socket的缺省行為時(shí)把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。該描述字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個(gè)參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)-1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請(qǐng)求。

4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進(jìn)行“三次握手”，即交換三個(gè)分組。大致流程如下：

• 客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)SYN J
• 服務(wù)器向客戶端響應(yīng)一個(gè)SYN K，并對(duì)SYN J進(jìn)行確認(rèn)ACK J+1
• 客戶端再想服務(wù)器發(fā)一個(gè)確認(rèn)ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個(gè)三次握手發(fā)生在socket的那幾個(gè)函數(shù)中呢？請(qǐng)看下圖：

三次握手

從圖中可以看出，當(dāng)客戶端調(diào)用connect時(shí)，觸發(fā)了連接請(qǐng)求，向服務(wù)器發(fā)送了SYN J包，這時(shí)connect進(jìn)入阻塞狀態(tài)；服務(wù)器監(jiān)聽到連接請(qǐng)求，即收到SYN J包，調(diào)用accept 函數(shù)接收請(qǐng)求向客戶端發(fā)送SYN K ，ACK J+1，這時(shí)accept進(jìn)入阻塞狀態(tài)；客戶端收到服務(wù)器的SYN K ，ACK J+1之后，這時(shí)connect返回，并對(duì)SYN K進(jìn)行確認(rèn)；服務(wù)器收到ACK K+1時(shí)，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。
總結(jié)：客戶端的connect在三次握手的第二個(gè)次返回，而服務(wù)器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數(shù)?，F(xiàn)在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請(qǐng)看下圖：

四次揮手

圖示過程如下：

• 某個(gè)應(yīng)用進(jìn)程首先調(diào)用close主動(dòng)關(guān)閉連接，這時(shí)TCP發(fā)送一個(gè)FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉，對(duì)這個(gè)FIN進(jìn)行確認(rèn)。它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給應(yīng)用進(jìn)程，因?yàn)镕IN的接收意味著應(yīng)用進(jìn)程在相應(yīng)的連接上再也接收不到額外數(shù)據(jù)；
• 一段時(shí)間之后，接收到文件結(jié)束符的應(yīng)用進(jìn)程調(diào)用close關(guān)閉它的socket。這導(dǎo)致它的TCP也發(fā)送一個(gè)FIN N；
• 接收到這個(gè)FIN的源發(fā)送端TCP對(duì)它進(jìn)行確認(rèn)。

這樣每個(gè)方向上都有一個(gè)FIN和ACK。