网络编程之Socket

一、网络各个协议：TCP/IP、SOCKET、HTTP等

网络七层由下往上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
1、其中物理层、数据链路层和网络层通常被称作媒体层，是网络工程师所研究的对象；
2、传输层、会话层、表示层和应用层则被称作主机层，是用户所面向和关心的内容。

• http协议：对应于应用层
• tcp协议：对应于传输层
• ip协议：对应于网络层

三者本质上没有可比性。何况HTTP协议是基于TCP连接的。
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），但是那样的话，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。

二、HTTP和SOCKET连接区别

Http与Socket连接究竟有什么区别，我们来一探究竟。

2.1、TCP连接

要想明白Socket连接，先要明白TCP连接。手机能够使用联网功能是因为手机底层实现了TCP/IP协议，可以使手机终端通过无线网络建立TCP连接。TCP协议可以对上层网络提供接口，使上层网络数据的传输建立在“无差别”的网络上。

• 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。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连 接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。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”。

关于TCP连接具体可以看这篇文章：TCP的三次握手与四次挥手理解

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”。

• 在HTTP1.0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。
• 在HTTP1.1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，需要不断的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。

三、SOCKET原理

3.1 套接字（socket）概念

套接字（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。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过一个TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字（Socket）接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

3.2 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：服务器监听，客户端请求，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，而是处于登台连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。
• 客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。
• 连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，简历一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立了连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

3.3 SOCKET连接与TCP连接

创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。

3.4 SOCKET连接与HTTP连接

由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致Socket连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

而HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，服务器端才能回复数据。

很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；****若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传递给客户端。

四、SOCKET详细连接过程

客户端和服务端建立长连接经过了一下步骤：

socket连接过程.jpg

（1）连接建立步骤

服务器端的步骤是：

• 1、创建一个socket，用函数socket();
• 2、设置socket属性，用函数setsockopt();可选
• 3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();
• 4、开启监听，用函数listen();
• 5、接收客户端上来的连接，用函数accept();
• 6、收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write;
• 7、关闭网络连接，用函数close();
• 8、关闭监听;

客户端的步骤是：

• 1、创建一个socket，用函数socket()；
• 2、设置socket属性，用函数setsockopt()；可选
• 3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()；可选
• 4、设置要连接的对方的IP地址和端口等属性；
• 5、连接服务器，用函数connect();
• 6、收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write()；
• 7、关闭网络连接;

作为TCP/IP传输协议的一种，客户端和服务端通过TCP建立socket连接的内部原理远比上图的步骤复杂，客户端和服务端是通过何种方式来建立的连接的呢？我们知道客户端要和服务端进行连接需要通过3次握手：

• 客户端向服务器发送一个 SYN J
• 服务器向客户端响应一个 SYN K，并对SYN J进行确认 ACK J+1
• 客户端再向服务器发一个确认 ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

TCP三次握手.png

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（服务器启动之后就在不断地监听连接请求），即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送ACK J+1，SYN K，这时accept进入阻塞状态；
客户端收到服务器的ACK J+1，SYN K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，至此三次握手返回，连接建立。

（2）断开连接步骤

断开连接，及tcp的四次挥手步骤：

Socket断开连接.png

从上图可以看到，客户端或者服务端首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个 FIN M;
另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN 进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外的数据；
一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N;
接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

UDP的连接步骤

与之对应的UDP的连接步骤要简单许多，分别如下：
UDP编程的服务器端一般步骤是：

• 1、创建一个socket，用函数socket()；
• 2、设置socket属性，用函数setsockopt();可选
• 3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()；
• 4、循环接收数据，用函数recvfrom()；
• 5、关闭网络连接

UDP编程的客户端一般步骤是：

• 1、创建一个socket，用函数socket()；
• 2、设置socket属性，用函数setsockopt()；可选
• 3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()；可选
• 4、设置对方的IP地址和端口等属性；
• 5、发送数据，用函数sendto()；
• 6、关闭网络连接；

参考文章：
1、iOS开发之Socket通信基本原理
2、iOS开发——网络编程OC篇&Socket编程