Linux 网络编程之ioctl函数

你的名字 2022-08-06 18:29 271阅读 0赞

1.介绍

Linux网络程序与内核交互的方法是通过ioctl来实现的，ioctl与网络协议栈进行交互，可得到网络接口的信息，网卡设备的映射属性和配置网络接口.并且还能够查看，修改，删除ARP高速缓存的信息，所以，我们有必要了解一下ioctl函数的具体实现.

2.相关结构体与相关函数

\#include <sys/ioctl.h>

int ioctl(int d,int request,....);

参数:

d-文件描述符，这里是对网络套接字操作，显然是套接字描述符

request-请求码

省略的部分对应不同的内存缓冲区，而具体的内存缓冲区是由请求码request来决定的,下面看一下具体都有哪些相关缓冲区。

(1)网络接口请求结构ifreq

struct ifreq\{  
\#define IFHWADDRLEN 6 //6个字节的硬件地址，即MAC  
union\{  
char ifrn\_name\[IFNAMESIZ\];//网络接口名称  
\}ifr\_ifrn;  
union\{  
struct sockaddr ifru\_addr;//本地IP地址  
struct sockaddr ifru\_dstaddr;//目标IP地址  
struct sockaddr ifru\_broadaddr;//广播IP地址  
struct sockaddr ifru\_netmask;//本地子网掩码地址  
struct sockaddr ifru\_hwaddr;//本地MAC地址  
short ifru\_flags;//网络接口标记  
int ifru\_ivalue;//不同的请求含义不同  
struct ifmap ifru\_map;//网卡地址映射  
int ifru\_mtu;//最大传输单元  
char ifru\_slave\[IFNAMSIZ\];//占位符  
char ifru\_newname\[IFNAMSIZE\];//新名称  
void \_\_user\* ifru\_data;//用户数据  
struct if\_settings ifru\_settings;//设备协议设置  
\}ifr\_ifru;  
\}  
\#define ifr\_name ifr\_ifrn.ifrn\_name;//接口名称  
\#define ifr\_hwaddr ifr\_ifru.ifru\_hwaddr;//MAC  
\#define ifr\_addr ifr\_ifru.ifru\_addr;//本地IP  
\#define ifr\_dstaddr ifr\_ifru.dstaddr;//目标IP  
\#define ifr\_broadaddr ifr\_ifru.broadaddr;//广播IP  
\#define ifr\_netmask ifr\_ifru.ifru\_netmask;//子网掩码  
\#define ifr\_flags ifr\_ifru.ifru\_flags;//标志  
\#define ifr\_metric ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//接口侧度  
\#define ifr\_mtu ifr\_ifru.ifru\_mtu;//最大传输单元  
\#define ifr\_map ifr\_ifru.ifru\_map;//设备地址映射  
\#define ifr\_slave ifr\_ifru.ifru\_slave;//副设备  
\#define ifr\_data ifr\_ifru.ifru\_data;//接口使用  
\#define ifr\_ifrindex ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//网络接口序号  
\#define ifr\_bandwidth ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//连接带宽  
\#define ifr\_qlen ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//传输单元长度  
\#define ifr\_newname ifr\_ifru.ifru\_newname;//新名称  
\#define ifr\_seeting ifr\_ifru.ifru\_settings;//设备协议设置

如果想获得网络接口的相关信息，就传入ifreq结构体.

(2)网卡设备属性ifmap

struct ifmap\{//网卡设备的映射属性  
unsigned long mem\_start;//开始地址  
unsigned long mem\_end;//结束地址  
unsigned short base\_addr;//基地址  
unsigned char irq;//中断号  
unsigned char dma;//DMA  
unsigned char port;//端口  
\}

(3)网络配置接口ifconf

struct ifconf\{//网络配置结构体是一种缓冲区  
int ifc\_len;//缓冲区ifr\_buf的大小  
union\{  
char\_\_user \*ifcu\_buf;//绘冲区指针  
struct ifreq\_\_user\* ifcu\_req;//指向ifreq指针  
\}ifc\_ifcu;  
\};  
\#define ifc\_buf ifc\_ifcu.ifcu\_buf;//缓冲区地址  
\#define ifc\_req ifc\_ifcu.ifcu\_req;//ifc\_req地址

(4)ARP高速缓存操作arpreq

/\*\*  
ARP高速缓存操作，包含IP地址和硬件地址的映射表  
操作ARP高速缓存的命令字 SIOCDARP,SIOCGARP,SIOCSARP分别是删除ARP高速缓存的一条记录，获得ARP高速缓存的一条记录和修改ARP高速缓存的一条记录  
struct arpreq\{  
struct sockaddr arp\_pa;//协议地址  
struct sockaddr arp\_ha;//硬件地址  
int arp\_flags;//标记  
struct sockaddr arp\_netmask;//协议地址的子网掩码  
char arp\_dev\[16\];//查询网络接口的名称  
\}

3. 请求码request

<table style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <tbody style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 类别 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> Request </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 说明 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 数据类型 </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 套 接 口 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> SIOCATMARK SIOCSPGRP SIOCGPGRP </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 是否位于带外标记 设置套接口的进程ID或进程组ID 获取套接口的进程ID或进程组ID </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> int int int </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 文 件 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> FIONBIN FIOASYNC FIONREAD FIOSETOWN FIOGETOWN </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 设置/清除非阻塞I/O标志 设置/清除信号驱动异步I/O标志 获取接收缓存区中的字节数 设置文件的进程ID或进程组ID 获取文件的进程ID或进程组ID </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> int int int int int </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 接 口 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> SIOCGIFCONF SIOCSIFADDR SIOCGIFADDR SIOCSIFFLAGS SIOCGIFFLAGS SIOCSIFDSTADDR SIOCGIFDSTADDR SIOCGIFBRDADDR SIOCSIFBRDADDR SIOCGIFNETMASK SIOCSIFNETMASK SIOCGIFMETRIC SIOCSIFMETRIC SIOCGIFMTU SIOCxxx </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 获取所有接口的清单 设置接口地址 获取接口地址 设置接口标志 获取接口标志 设置点到点地址 获取点到点地址 获取广播地址 设置广播地址 获取子网掩码 设置子网掩码 获取接口的测度 设置接口的测度 获取接口MTU （还有很多取决于系统的实现） </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> struct ifconf struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq struct ifreq </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> ARP </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> SIOCSARP SIOCGARP SIOCDARP </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 创建/修改ARP表项 获取ARP表项 删除ARP表项 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> struct arpreq struct arpreq struct arpreq </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 路 由 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> SIOCADDRT SIOCDELRT </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 增加路径 删除路径 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> struct rtentry struct rtentry </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:25.600000381469727px"> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> 流 </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px"> I_xxx </td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px">&nbsp;</td> 
 <td style="line-height:25.600000381469727px">&nbsp;</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

4. 相关例子

(1)网络接口信息  
选项获取填充struct ifreq的ifr\_name

\#include <stdio.h> 
\#include <stdlib.h> 
\#include <string.h> 
\#include <sys/types.h> 
\#include <sys/socket.h> 
\#include <netinet/in.h> 
\#include <linux/if.h> 
\#include <arpa/inet.h> 
\#include <linux/sockios.h> 
/\*\* 
ioctl函数是与内核交互的一种方法，使用ioctl函数与内核协议栈进行交互 
ioctl函数可操作I/O请求，文件请求与网络接口请求 
网络接口请求的几个结构体: 
struct ifreq\{ 
\#define IFHWADDRLEN 6 //6个字节的硬件地址，即MAC 
union\{ 
char ifrn\_name\[IFNAMESIZ\];//网络接口名称 
\}ifr\_ifrn; 
union\{ 
struct sockaddr ifru\_addr;//本地IP地址 
struct sockaddr ifru\_dstaddr;//目标IP地址 
struct sockaddr ifru\_broadaddr;//广播IP地址 
struct sockaddr ifru\_netmask;//本地子网掩码地址 
struct sockaddr ifru\_hwaddr;//本地MAC地址 
short ifru\_flags;//网络接口标记 
int ifru\_ivalue;//不同的请求含义不同 
struct ifmap ifru\_map;//网卡地址映射 
int ifru\_mtu;//最大传输单元 
char ifru\_slave\[IFNAMSIZ\];//占位符 
char ifru\_newname\[IFNAMSIZE\];//新名称 
void \_\_user\* ifru\_data;//用户数据 
struct if\_settings ifru\_settings;//设备协议设置 
\}ifr\_ifru; 
\} 
\#define ifr\_name ifr\_ifrn.ifrn\_name;//接口名称 
\#define ifr\_hwaddr ifr\_ifru.ifru\_hwaddr;//MAC 
\#define ifr\_addr ifr\_ifru.ifru\_addr;//本地IP 
\#define ifr\_dstaddr ifr\_ifru.dstaddr;//目标IP 
\#define ifr\_broadaddr ifr\_ifru.broadaddr;//广播IP 
\#define ifr\_netmask ifr\_ifru.ifru\_netmask;//子网掩码 
\#define ifr\_flags ifr\_ifru.ifru\_flags;//标志 
\#define ifr\_metric ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//接口侧度 
\#define ifr\_mtu ifr\_ifru.ifru\_mtu;//最大传输单元 
\#define ifr\_map ifr\_ifru.ifru\_map;//设备地址映射 
\#define ifr\_slave ifr\_ifru.ifru\_slave;//副设备 
\#define ifr\_data ifr\_ifru.ifru\_data;//接口使用 
\#define ifr\_ifrindex ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//网络接口序号 
\#define ifr\_bandwidth ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//连接带宽 
\#define ifr\_qlen ifr\_ifru.ifru\_ivalue;//传输单元长度 
\#define ifr\_newname ifr\_ifru.ifru\_newname;//新名称 
\#define ifr\_seeting ifr\_ifru.ifru\_settings;//设备协议设置 
struct ifmap\{//网卡设备的映射属性 
unsigned long mem\_start;//开始地址 
unsigned long mem\_end;//结束地址 
unsigned short base\_addr;//基地址 
unsigned char irq;//中断号 
unsigned char dma;//DMA 
unsigned char port;//端口 
\} 
struct ifconf\{//网络配置结构体是一种缓冲区 
int ifc\_len;//缓冲区ifr\_buf的大小 
union\{ 
char\_\_user \*ifcu\_buf;//绘冲区指针 
struct ifreq\_\_user\* ifcu\_req;//指向ifreq指针 
\}ifc\_ifcu; 
\}; 
\#define ifc\_buf ifc\_ifcu.ifcu\_buf;//缓冲区地址 
\#define ifc\_req ifc\_ifcu.ifcu\_req;//ifc\_req地址 
(1)获得配置选项SIOCGIFCONF获得网络接口的配置情况 需要填充struct ifreq中ifr\_name变量 
(2)其它选项获取填充struct ifreq的ifr\_name 
\*\*/ 
int main(int argc,char\*argv\[\])\{ 
int s; 
int err; 
s=socket(AF\_INET,SOCK\_DGRAM,0); 
if(s<0)\{ 
perror("socket error"); 
return; 
\} 
//传入网络接口序号，获得网络接口的名称 
struct ifreq ifr; 
ifr.ifr\_ifindex=2;//获得第2个网络接口的名称 
err=ioctl(s,SIOCGIFNAME,&ifr); 
if(err)\{ 
perror("index error"); 
\}else\{ 
printf("the %dst interface is:%s\\n",ifr.ifr\_ifindex,ifr.ifr\_name); 
\} 
//传入网络接口名称，获得标志 
memcpy(ifr.ifr\_name,"eth0",5); 
err=ioctl(s,SIOCGIFFLAGS,&ifr); 
if(!err)\{ 
printf("SIOCGIFFLAGS:%d\\n",ifr.ifr\_flags); 
\} 
//获得MTU和MAC 
err=ioctl(s,SIOCGIFMTU,&ifr); 
if(!err)\{ 
printf("SIOCGIFMTU:%d\\n",ifr.ifr\_mtu); 
\} 
//获得MAC地址 
err=ioctl(s,SIOCGIFHWADDR,&ifr); 
if(!err)\{ 
unsigned char\* hw=ifr.ifr\_hwaddr.sa\_data; 
printf("SIOCGIFHWADDR:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\\n",hw\[0\],hw\[1\],hw\[2\],hw\[3\],hw\[4\],hw\[5\]); 
\} 
//获得网卡映射参数 命令字SIOCGIFMAP 
err=ioctl(s,SIOCGIFMAP,&ifr); 
if(!err)\{ 
printf("SIOCGIFMAP,mem\_start:%d,mem\_end:%d,base\_addr:%d,ifr\_map:%d,dma:%d,port:%d\\n",ifr.ifr\_map.mem\_start,ifr.ifr\_map.mem\_end,ifr.ifr\_map.base\_addr,ifr.ifr\_map.irq,ifr.ifr\_map.dma,ifr.ifr\_map.port); 
\} 
//获得网卡序号 
err=ioctl(s,SIOCGIFINDEX,&ifr); 
if(!err)\{ 
printf("SIOCGIFINDEX:%d\\n",ifr.ifr\_ifindex); 
\} 
//获取发送队列的长度 
err=ioctl(s,SIOCGIFTXQLEN,&ifr); 
if(!err)\{ 
printf("SIOCGIFTXQLEN:%d\\n",ifr.ifr\_qlen); 
\} 
//获取网络接口IP 
struct sockaddr\_in \*sin=(struct sockaddr\_in\*)&ifr.ifr\_addr;//保存的是二进制IP 
char ip\[16\];//字符数组，存放字符串 
memset(ip,0,16); 
err=ioctl(s,SIOCGIFADDR,&ifr); 
if(!err)\{ 
inet\_ntop(AF\_INET,&sin->sin\_addr.s\_addr,ip,16);//转换的字符串保存到ip数组中，第二个参数是要转换的二进制IP指针，第三个参数是转换完成存放IP的缓冲区，最后一个参数是缓冲区的长度 
printf("SIOCGIFADDR:%s\\n",ip); 
\} 
//查询目标IP地址 
err=ioctl(s,SIOCGIFDSTADDR,&ifr); 
if(!err)\{ 
inet\_ntop(AF\_INET,&sin->sin\_addr.s\_addr,ip,16); 
printf("SIOCGIFDSTADDR:%s\\n",ip); 
\} 
//查询子网掩码 
err=ioctl(s,SIOCGIFNETMASK,&ifr); 
if(!err)\{ 
inet\_ntop(AF\_INET,&sin->sin\_addr.s\_addr,ip,16); 
printf("SIOCGIFNETMASK:%s\\n",ip); 
\} 
//设置IP地址，设置网络接口 
inet\_pton(AF\_INET,"222.27.253.108",&sin->sin\_addr.s\_addr);//将字符串IP转换成二进制 
err=ioctl(s,SIOCSIFADDR,&ifr);//发送设置本机ip地址请求命令 
if(!err)\{ 
printf("check IP-----"); 
memset(&ifr,0,sizeof(ifr)); 
memcpy(ifr.ifr\_name,"eth0",5); 
ioctl(s,SIOCGIFADDR,&ifr); 
inet\_ntop(AF\_INET,&sin->sin\_addr.s\_addr,ip,16); 
printf("%s\\n",ip); 
\} 
//得到接口的广播地址 
memset(&ifr,0,sizeof(ifr)); 
memcpy(ifr.ifr\_name,"eth0",5); 
ioctl(s,SIOCGIFBRDADDR,&ifr); 
struct sockaddr\_in \*broadcast=(struct sockaddr\_in\*)&ifr.ifr\_broadaddr; 
//转换成字符串 
inet\_ntop(AF\_INET,&broadcast->sin\_addr.s\_addr,ip,16);//inet\_ntop将二进制IP转换成点分十进制的字符串 
printf("BROADCAST IP:%s\\n",ip); 
close(s); 
\} 
运行结果:

\[root@localhost ~\]\# ./ioctl-test  
the 2st interface is:eth0  
SIOCGIFFLAGS:4163  
SIOCGIFMTU:1500  
SIOCGIFHWADDR:00:13:d4:36:98:34  
SIOCGIFMAP,mem\_start:0,mem\_end:0,base\_addr:60416,ifr\_map:201,dma:0,port:0  
SIOCGIFINDEX:2  
SIOCGIFTXQLEN:1000  
SIOCGIFADDR:222.27.253.108  
SIOCGIFDSTADDR:222.27.253.108  
SIOCGIFNETMASK:255.255.255.0  
check IP-----222.27.253.108  
BROADCAST IP:222.27.253.255

(2)查看arp高速缓存信息

\#include <stdio.h> 
\#include <sys/types.h> 
\#include <sys/socket.h> 
\#include <netinet/in.h> 
\#include <arpa/inet.h> 
\#include <net/if\_arp.h> 
\#include <string.h> 
\#include <stdlib.h> 
\#include <linux/sockios.h> 
/\*\* 
ARP高速缓存操作，包含IP地址和硬件地址的映射表 
操作ARP高速缓存的命令字 SIOCDARP,SIOCGARP,SIOCSARP分别是删除ARP高速缓存的一条记录，获得ARP高速缓存的一条记录和修改ARP高速缓存的一条记录 
struct arpreq\{ 
struct sockaddr arp\_pa;//协议地址 
struct sockaddr arp\_ha;//硬件地址 
int arp\_flags;//标记 
struct sockaddr arp\_netmask;//协议地址的子网掩码 
char arp\_dev\[16\];//查询网络接口的名称 
\} 
\*\*/ 
//根据IP地址查找硬件地址 
int main(int argc,char\*argv\[\])\{ 
int s; 
int err; 
struct arpreq arpreq; 
struct sockaddr\_in \*addr=(struct sockaddr\_in\*)&arpreq.arp\_pa;//IP地址 
s=socket(AF\_INET,SOCK\_DGRAM,0); 
if(s<0)\{ 
perror("socket error"); 
\} 
addr->sin\_family=AF\_INET; 
addr->sin\_addr.s\_addr=inet\_addr(argv\[1\]);//转换成二进制IP 
if(addr->sin\_addr.s\_addr==INADDR\_NONE)\{ 
printf("IP地址格式错误\\n"); 
\} 
strcpy(arpreq.arp\_dev,"eth0"); 
err=ioctl(s,SIOCGARP,&arpreq); 
if(err==-1)\{ 
perror("arp"); 
return; 
\} 
unsigned char\* hw=(unsigned char\*)&arpreq.arp\_ha.sa\_data;//硬件地址 
printf("%s\\n",argv\[1\]); 
printf("%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\\n",hw\[0\],hw\[1\],hw\[2\],hw\[3\],hw\[4\],hw\[5\]); 
close(s); 
return 0; 
\}

运行结果:

\[root@localhost ~\]\# ./ioctl-arp 222.27.253.1  
222.27.253.1  
00:0f:e2:5f:3c:8c  
查看网关的MAC.在查看ARP高速缓存时要传入IP地址与接口信息.而获得接口信息要传入接口名ifr\_name,如eth0.

总结:

本文主要介绍了获得网络接口请求信息，获得网卡设备映射属性,配置网络接口,获得ARP高速缓存等.其它ioctl函数还能对操作文件，操作I/O,操作路由等。最后,对于网络接口的操作与ARP高速缓存的操作分别给出了实例