Linux网络编程（五）-Socket编程01：概述（不同主机进程通讯）【通用socket结构体：sockaddr】【网络字节序：报头部分大于2字节的数据需大小端转换】【一套接字包含发送、接收缓冲区】

青旅半醒 2023-09-26 09:59 9阅读 0赞

## 一、Socket/套接字【结构体】 ##

Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。

既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。

与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是：

*  管道主要应用于本地进程间通信；
 *  套接字多应用于网络进程间数据的传递；

套接字的内核实现较为复杂，不宜在学习初期深入学习。

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。

**“IP地址+端口号”就对应一个socket。**

欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。

因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

套接字通信原理如下图所示：

![9b46d8611da54b928bf903d871fff9d5.png][] 套接字通讯原理示意

**在网络通信中，套接字一定是成对出现的****。**一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符来描述“发送缓冲区”和“接收缓冲区”。

TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。

本章的主要内容是socket API，主要介绍TCP协议的函数接口，最后介绍UDP协议和UNIX Domain Socket的函数接口。

![3f97c297056044bf9992bbc9d04c46bc.png][] 网络编程接口

## 二、socket结构体（socketaddr数据结构） ##

网络通信时，数据发送方、数据接收方需要明确的三大问题：

*  协议
 *  ip
 *  端口

这三个参数用一个结构体 sockaddr 来表示。

### 1、ipv4的socket结构体【sockaddr\_in】 ###

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 */
    };

参数：

*  sin\_family：协议类型（AF\_INET）；
 *  sin\_port：端口号；
 *  sin\_addr：ip地址

### 2、ipv6的socket结构体 【sockaddr\_in6】 ###

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 */
    };

### 3、通用socket结构体【sockaddr】 ###

strcut sockaddr 很多网络编程函数诞生早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结构体,为了向前兼容，现在sockaddr退化成了（void \*）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是sockaddr\_in还是sockaddr\_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。

![b014c91f82fe4eb4b2be14650368cef1.png][]

struct sockaddr {
    	sa_family_t sa_family; 		/* address family, AF_xxx */
    	char sa_data[14];			/* 14 bytes of protocol address */
    };

Pv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，

*  IPv4地址用sockaddr\_in结构体表示，包括16位端口号、32位IP地址，
 *  IPv6地址用sockaddr\_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址、一些控制字段。

UNIX Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中，用sock-addr\_un结构体表示。

各种socket地址结构体的开头都是相同的，前16位表示整个结构体的长度（并不是所有UNIX的实现都有长度字段，如Linux就没有），后16位表示地址类型。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址类型分别定义为常数AF\_INET、AF\_INET6、AF\_UNIX。这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。因此，socket API可以接受各种类型的sockaddr结构体指针做参数，例如bind、accept、connect等函数，这些函数的参数应该设计成void \*类型以便接受各种类型的指针，但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还没有void \*类型，因此这些函数的参数都用struct sockaddr \*类型表示，在传递参数之前要强制类型转换一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;
    
    bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));		/* initialize servaddr */

## 三、网络字节序 ##

报头部分的大于2字节的数据需要大小端转换；数据部分是基于字节流的，不需要大小端转换。

我们知道：

*  **内存**中的多字节数据相对于内存地址有**大端**和**小端**之分（1个字节的数据就没有大小端）；
 *  **磁盘文件**中的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端、小端之分；

**小端、大端区别（1个字节的数据就没有大小端的区别）：**

*  小端：数据的低位字节 --> 存储在内存的低地址位（常见主机数据是小端存储）；
 *  大端：数据的高位字节 --> 存储在内存的低地址位（网络字节序都采用大端）；

**网络数据流**同样有大端小端之分，那么如何定义网络数据流的地址呢？

*  发送主机：通常将**发送缓冲区**中的**数据****按内存地址****从低到高的顺序****发出**；
 *  接收主机：把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中，也是**按内存地址****从低到高的顺序****保存**；

因此，网络数据流的地址应这样规定：

*  先发出的数据是低地址；
 *  后发出的数据是高地址；

TCP/IP协议规定，**网络数据流**应采用**大端字节序**，即**低地址高字节**。

发送主机不管自身是按照大端还是小端格式存储数据，将数据发送到网络上时都应该首先将数据转为网络数据流的大端格式，也就是**发送主机**应该：

*  先发低地址保存的高字节0x03；
 *  再发高地址保存的低字节0xe8；

例如UDP段格式，地址0-1是16位的源端口号，假设这个源端口号值为1000：

*  如果发送主机是**大端字节序**存储的，则该16位数据**存储时被解释成0x3e8【**低地址保存0x03（高字节），高地址保存0xe8（低字节）**】**，这16位在**发送主机**的“发送缓冲区”中是低地址存0x03，高地址存0xe8，即：
    
     *  地址0（低地址）是0x03（高字节）；
     *  地址1（高地址）是0xe8（低字节）；

由于发送主机通常将**发送缓冲区**中的**数据****按内存地址****从低到高的顺序****发出，所以发送到网络中的数据是****0x3e8；**

*  如果发送主机是小端字节序存储的，这16位数据1000**存储时被****解释成0xe803****【**高地址保存0x03（高字节），低地址保存0xe8（低字节）**】**。因此，**发送主机**把**0x3e8**填到“发送缓冲区”之前如果不做字节序的转换，则“发送缓冲区”中的数据为**0xe803，即：**
    
     *  地址0（低地址）是0xe8（低字节）；
     *  地址1（高地址）是0x03（高字节）；

由于发送主机通常将**发送缓冲区**中的**数据****按内存地址****从低到高的顺序****发出，**传到网络中的数据是**0xe803**，由于网络数据流都是大端字节序解析模式，解析出来的数据就不是1000了。

同样地，接收主机如果是小端字节序的，接到16位的源端口号也要做字节序的转换。如果主机是大端字节序的，发送和接收都不需要做转换。同理，32位的IP地址也要考虑网络字节序和主机字节序的问题。

![321510f09e644d80981b3774b87ebb42.png][]

为使网络程序具有可移植性，使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，可以调用以下库函数做**网络字节序****和****主机字节序****的****转换**。

**字节序转换函数：**

*  IP转换函数【比如：192.168.1.2；占4字节（32位）】：
    
     *  主机-->网络：uint32\_t htonl(uint32\_t hostlong);
     *  网络-->主机：uint32\_t ntohl(uint32\_t netlong);
        
         *  ip占32位（4字节）；
         *  字符“h”代表host；
         *  字符“n”代表net；
         *  字符“l”代表long类型；
         *  字符“to”代表转换；
 *  端口转换函数【比如：80；占2字节（16位）】：
    
     *  主机-->网络：uint16\_t htons(uint16\_t hostshort);
     *  网络-->主机：uint16\_t ntohs(uint16\_t netshort);
        
         *  端口占16位（2字节）；
         *  字符“h”代表host；
         *  字符“n”代表net；
         *  字符“s”代表short类型；
         *  字符“to”代表转换；

#include <arpa/inet.h>
    
    uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  // IP
    uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 端口
    uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // IP
    uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 端口

h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。

如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回，如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动地返回。

#include <arpa/inet.h>
    #include <stdio.h>
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    	char buf[4]={192,168,1,2};
    	int num = *(int *)buf;
    	int sum = htonl(num);
    	unsigned char *p = ∑
    
    	printf("%d %d %d %d\n",*p,*(p+1),*(p+2),*(p+3));
    
    	unsigned short a = 0x0102;
    	unsigned short b = htons(a);
    
    	printf("%x\n",b);
    
    	return 0;
    }

![e46a1556c3994c4fbfe3f99557cb346e.png][]

打印结果：

2 1 168 192
    201

#include <stdio.h>
    #include <arpa/inet.h>
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    	unsigned char buf[4]={1,1,168,192};
    	int num = *(int *)buf;
    	int sum = ntohl(num);
    	unsigned char *p = (unsigned char *)∑
    	printf("%d %d %d %d\n",*p,*(p+1),*(p+2),*(p+3));
    	return 0;
    }

打印结果：

192 168 1 1

## 四、IP地址转换函数 ##

### 1、inet\_pton：点分十进制串（字符串）---->大端字节序数据 ###

inet\_pton：将点分十进制字符串（比如：“192.168.1.2”）转为网络大端字节序（2 1 168 192）；发送数据的时候用；

#include <arpa/inet.h>
    
    int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

其中：

*  inet\_pton：函数名
    
     *  字符“p”：表示点分十进制串，比如“192.168.1.2”；
     *  字符“n”：表示网络中的大端字节序 ；
 *  af：表示网络类型
    
     *  AF\_INET：表示类型为IPV4；
     *  AF\_INET6：表示类型为IPV6；
 *  src：表示点分十进制串的首地址；
 *  dst：表示网络数据的首地址；
 *  返回值：成功则返回1，失败返回0；
 *  inet\_pton和inet\_ntop不仅可以转换IPv4的in\_addr，还可以转换IPv6的in6\_addr。
 *  因此函数接口是void \*addrptr。

### 2、inet\_ntop：大端字节序数据---->点分十进制串（字符串） ###

inet\_ntop：大端字节序数据转为点分十进制串（字符串）；接收数据的时候用；

#include <arpa/inet.h>
    
    const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

其中：

*  inet\_ntop：函数名
    
     *  字符“n”：表示网络中的大端字节序（比如：2 1 168 192，大小为32字节） ；
     *  字符“p”：表示点分十进制串（比如：“192.168.1.2”，大小为11字节）；
 *  af：表示网络类型
    
     *  AF\_INET：表示类型为IPV4；
     *  AF\_INET6：表示类型为IPV6；
 *  src：表示大端网络数据的首地址；
 *  dst：表示用于保存函数生成的“点分十进制串”的首地址；
 *  size：表示用于保存函数生成的“点分十进制串”字符串的数组大小；如果用于存储ip地址，最大ip地址字符串为“255.255.255.255”，因此该数组最大为16字节即可；可填写宏： INET\_ADDRSTRLEN，该宏的值为16；
 *  返回值：用于存储“点分十进制串”字符串的首地址；

#include <stdio.h>
    
    #include <arpa/inet.h>
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    
    	char buf[]="192.168.1.4";
    	unsigned int num=0;
    	inet_pton(AF_INET,buf,&num);
    	unsigned char * p = (unsigned char *)&num;
    	printf("%d %d %d %d\n",*p,*(p+1),*(p+2),*(p+3));
    	
        char ip[16]="";
    	printf("%s\n",inet_ntop(AF_INET,&num,ip,16));
    	return 0;
    }

打印结果：

192 168 1 4
    192.168.1.4

##  ##

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