第3章 地址与数据序列

3.1分配给套接字的IP地址和端口号

IP(Internet Address网络协议)，是为了收发网络数据而分配给计算机的值。端口号并非赋予计算机的值，而是为了区分程序中创建的套接字而分配给套接字的序号

1.网络地址(Internet Address)

IPv4(Internet Protocol version 4)   4字节地址族
IPv6(Internet Protocol version 6)   16字节地址族

为了应对2010年前后IP地址耗尽提出的IPv6

Ipv4标准的4字节IP地址分为网络地址和主机地址，分为A、B、C、D、E等类型(一般不会使用被预约了的E类地址)。

A类	网络ID位	主机ID位	主机ID位	主机ID位
B类	网路ID位	网络ID位	主机ID位	主机ID位
C类	网络ID位	网络ID位	网络ID位	主机ID位
D类	网络ID位	网络ID位	网络ID位	网络ID位

IPv4地址族

如何找到目标主机？ 开始仅浏览四字节IP的网络地址，先把数据传送到目标网络。而构成目标网络的路由器接收到数据之后，浏览传输数据的主机地址（主机ID）并将数据传送给目标主机。
所以“向相应的网络传输数据”实际上是向构成网络的“路由器”或者“交换机”传递数据，由接收数据的路由器根据数据中的主机地址向目标主机传递数据。

补充:

想要构建网络，需要一种物理设备完成外网与本网主机之间的数据交换，这种设备便是路由器或者交换机（也属于计算机，只是更专用，两者实际用途差别不大）。

2.网络地址分类与主机地址边界

• A类地址的首字节范围：0~127（首位以0开始）

• B类地址的首字节范围：128~191（首位以10开始）

• C类地址的首字节范围：192~223（首位以110开始）

3.区分套接字的端口号

IP用于区分计算机，只要有IP就能向目标主机传递数据，但是还无法传给最终应用程序。看视频和看网页需要两个套接字。如何区分呢？

计算机有NIC（Network Interface Card，网络接口卡）数据传输设备，操作系统把传送到内部的数据适当分配套接字，这时就需要端口。NIC接受的数据内含有端口号，操作系统参考这个端口号把数据传输给相应端口的套接字。总之端口号就是同一操作系统内为区分不同套接字而设置的

• 端口号为16位（0~65535）

• 0~1023为知名端口（分配给特定的应用程序）

• TCP和UDP不共用端口号（两种类型的套接字可以重复端口号）

数据传输目标地址需要同时包含IP地址和端口号，才能最终传送到目标应用程序（应用程序套接字）

3.2地址信息的表示

1.表示IPv4地址的结构体

struct sockaddr_in
{
    sa_family_t     sin_family;     //地址族（Address Family）
    uint16_t        sin_port;       //16位TCP/UDP端口号
    struct in_addr  sin_addr;       //32位IP地址
    char            sin_zero[8];    //不使用
}

其中的另一个结构体

struct in_addr
{
    int addr_t      s_addr;     //32位IPv4地址
}

上述uint16_t、in_addr_t等类型可以参考POSIX,这是为UNIX操作系统设的标准。为了确保扩展性，所以额外定义了这些数据类型。

2.结构体sockaddr_in的成员分析

1. 成员sin_family 每种协议组适用的地址族不同，所以要填写这个

   地址族	含义
   AF_INET	IPv4网络协议中使用的地址族
   AF_INET6	IPv6网络协议中使用的地址族
   AF_LOCAL	本地通信采用的UNIX协议的地址族

   AF_LOCAL是为了说明有多种地址族设置的。

2. sin_port 保存16位端口号（以网络字节序保存）

3. sin_addr 保存32位IP地址信息（以网络字节序保存）

4. sin_zero 为了和sockaddr结构体保持一致插入的成员，必须为0。

   bind函数第二个参数希望得到sockaddr结构体变量的地址值，但是直接向它填充很麻烦，所以向sockaddr_in填数据容易许多，然后生成符合bind要求的字节流，转化成sockaddr型的结构体变量，在给bind函数。

   if(bind(serv_sock,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(servaddr))==-1)
   {
       error_handling(...);
   }
   struct sockaddr{
       sa_family_t     sin_family;     //地址族
       char            sa_data[14];    //地址信息
   }
   

        其中这个数组保存IP地址和端口号，剩余部分为0，所以前面的sin_zero要全填0。
   

补充： 既然sockaddr_in保存IPv4地址信息的结构体，为什么还要sin_family单独指定？
因为sockaddr并非只是为IPv4设计的，因此sockaddr结构体要求在sin_family中指定地址族信息。

3.3网络字节序与地址变换

1.字节序与网络字节序

• 大端序（Big Endian）：高字节存放地位地址

• 小端序（Little Endian）：高位字节存放在高位地址

代表CPU数据保存方式的主机字节序，在不同CPU有不同的排序方式。（Intel就是小端序）

大端序系统传输数据0X1234未考虑字节排序问题，从低位开始传输也就是说0X12、0X34顺序传输，而小端序系统收到之后就成了0X3412（低位存储在低地址），而非0X1234。所以网络数据传输约定统一方式，这种约定称为网络字节序——大端序。所以计算机接收数据前先识别网络字节序，小端序传输数据前转化成大端序。

2.字节序转换

• unsigned short htons（unsigned short）

• unsigned short ntohs（unsigned short）

• unsigned long htonl（unsigned long）

• unsigned long ntohl（unsigned long）

其中的h代表主机字节序，n代表网络字节序，s代表短整型，l代表长整型 s的短整型2字节16位，用来转换端口号排序 l的长整型4字节32位，用来转换IP地址排序

3.4网络地址的初始化与分配

1.将字符串信息转化成网络字节序的整数型

#include<arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char * string);

成功时返回32位大端序整数型值,失败返回INADDR_NONE

例如“211.214.107.99”的点分十进制字符串会转换成整数型并返回，而且是网络字节序。in_addr_t在内部声明为32位整型。而且inet_addr有自动检测错误功能，不合法的地址会返回INADDR_NONE。

#include<arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *string,struct in_addr *addr)

string 需要转换的字符串型IP地址的地址
addr   保存转换结果的in_addr结构体变量的地址

成功返回1（true），失败返回0（false）

inet_addr转换的地址需要手动带入，sockaddr_in结构体内的in_addr结构体变量，但是inet_aton可以自动填入该结构体变量

#include<arpa/inet.h>
char * inet_ntoa(struct in_addr adr);

成功返回转换出的字符串地址值，失败返回-1

既然是返回字符指针类型，说明，这个字符串已经保存到内存，说明这个函数内部申请了内存并保存了字符串，所以要立即将这个地址的字符串信息拷贝到其他内存空间，再次调用这个函数会覆盖原来的字符串信息。

2.网络地址初始化

struct sockaddr_in addr;
char * serv_ip = "211.217.168.13";          //声明IP地址字符串
char * serv_port = "9190";                  //声明端口号字符串
memset(&addr , 0 , sizeof(addr));           //结构体变量addr的所有成员初始化为0
addr.sin_family = AF_INET;                  //指定地址族
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serv_ip);  //基于字符串的IP地址转换
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));     //基于字符串的端口号初始化

memset将addr对应地址的结构体变量没一个字节都初始化成0，这主要是为了将sockaddr_in结构体里的sin_zero初始化为0，atoi()是将字符串类型的值（指的是那些数字9190而不是字符串二进制对应的整型）转换成整型。代码对IP地址和端口号进行了硬编码，运行环境改变就得改变，所以不是良策。所以示例用main函数传入IP地址和端口号。

3.客户端地址信息初始化

上述主要是针对服务端做的初始化。服务端准备工作通过bind函数完成，客户端通过connect函数完成。服务端声明sockaddr_in结构体，为其分配服务端的IP和套接字端口号，然后调用bind()；客户端声明sockaddr_in结构体，并初始化为要与之连接的服务端套接字的主机IP和端口号

4.INADDR_ANY

struct sockaddr_in addr;
char * serv_port = "9190";
memset(&addr,0,sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));

每次手动输入主机的IP过于繁琐。所以用INADRR_ANY分配服务端IP。
这个方式会自动获取服务端计算机IP地址。
如果同一个计算机配备多个IP地址（多宿主计算机，一般为路由器这种），端口号只要一致，就可以从不同的IP地址（不同的NIC）接收数据。

补充： 初始化套接字时应分配所属计算机的IP地址，因为初始化使用IP非常明确，那为何还要IP初始化？因为，同一个计算机可以有多个IP，实际上IP地址的个数和计算机的NIC数量相等。所以即使是服务器套接字也需要决定接收哪个IP（哪个NIC传来的）传来的数据。所以要求IP地址信息初始化。如果只有一个NIC就直接用INADDR_ANY

127.0.0.1是回送地址（loopback address）

5.向套接字分配网络地址

前面sockaddr_in已经初始化，那要把地址信息分配给套接字。

#include<sys/socket.h>
int bind(int sockfd,struct sockaddr * myaddr,socklen_t addrlen);

sockfd      要分配地址信息的套接字文件描述符
myaddr      存有地址信息的结构体变量地址
addrlen     结构体变量的长度

成功返回0，失败返回-1

• 套接字常见初始化步骤

  int serv_sock;
  struct sockaddr_in serv_addr;
  char * serv_port = "9190";
  /*创建服务器套接字（监听套接字）*/
  serv_sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
  /*地址信息初始化*/
  memset(&serv_addr,0,sizeof(aerv_addr));
  serv_addr.sin_family = AF_INET;
  serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  serv_addr,sin_port = htons(atoi(serv_port));
  /*分配地址信息*/
  bind(serv_sock,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
  
  

3.5基于Windows的实现

函数几乎和Linux没啥别，不过Windows没 int inet_aton(const char* string,struct in_addr * addr); 其他几乎没啥区别和Linux

Windows新增的函数

WSAStringToAddress 和 WSAAddressToString

#include<winsock2.h>

INT WSAStringToAddress(LPTSTR AddressString,INT AddressFamily,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,LPSOCKADDR lpAddress,LPINT lpAddressLength)

成功返回0，失败时返回SOCKET_ERROR

• AddressString 含有IP和端口号的字符串地址值

• AddressFamily 第一个参数中地址所属的地址族信息

• lpProtocolInfo 设置协议提供者，默认为NULL

• lpAddress 保存地址信息的结构体变量地址值

• lpAddressLength 第四个参数中传递的结构体长度所在的变量地址值

#include<winsock2.h>
INT WSAAddressToString(LPSOCKADDR lpsaAddress,DWORD dwAddressLength,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,LPSTR lpszAddressString,LPDWORD lpdwAddressStringLength)

成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR

• lpsaAddress 需要转换的地址信息结构体变量地址值

• dwAddressLength 第一个参数中结构体长度

• lpProtocolInfo 设置协议提供者，默认为NULL

• lpszAddressString 保存转换结果的字符串地址值

• lpdwAddressStringLength 第四个参数中存有地址信息的字符串长度

#undef UNICODE
#undef _UNICODE
//上面两行用于取消之前定义的宏，根据项目环境，VC++会自主声明这两个宏，这样在下面的函数调用，参数会转换成unicode形式，给出错误的运行结果。所以插入
#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	char *strAddr="203.211.218.102:9190";

	char strAddrBuf[50];
	SOCKADDR_IN servAddr;
	int size;

	WSADATA	wsaData;
	WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
	
	size=sizeof(servAddr);
    //前面给出了需要转换的字符串的地址。下面调用代码，将其转换成结构体，保存到前面的servAddr结构体中
	WSAStringToAddress(
		strAddr, AF_INET, NULL, (SOCKADDR*)&servAddr, &size);

	size=sizeof(strAddrBuf);
    //是前面函数的逆过程，将servAddr结构体转换成字符串信息
	WSAAddressToString(
		(SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr), NULL, strAddrBuf, &size);

	printf("Second conv result: %s \n", strAddrBuf);
  	WSACleanup();
	return 0;
}

正确输出:

不加#undef UNICODE、#undef _UNICODE

htons、htonl的windows应用:

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
void ErrorHandling(char* message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	WSADATA	wsaData;
	unsigned short host_port=0x1234;
	unsigned short net_port;
	unsigned long host_addr=0x12345678;
	unsigned long net_addr;

	if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)!=0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!"); 
	
	net_port=htons(host_port);
	net_addr=htonl(host_addr);
	
	printf("Host ordered port: %#x \n", host_port);
	printf("Network ordered port: %#x \n", net_port);
	printf("Host ordered address: %#lx \n", host_addr);
	printf("Network ordered address: %#lx \n", net_addr);
	WSACleanup();
	return 0;
}

void ErrorHandling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

inet_addr、inet_ntoa在windows的应用

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>
void ErrorHandling(char* message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	WSADATA	wsaData;
	if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)!=0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!"); 

	/* inet_addr 函数调用示例 */
	{
		char *addr="127.212.124.78";
		unsigned long conv_addr=inet_addr(addr);
		if(conv_addr==INADDR_NONE)
			printf("Error occured! \n");
		else
			printf("Network ordered integer addr: %#lx \n", conv_addr);
	}

	/* inet_ntoa 函数调用示例 */ 
	{
		struct sockaddr_in addr;
		char *strPtr;
		char strArr[20];
		
		addr.sin_addr.s_addr=htonl(0x1020304);
		strPtr=inet_ntoa(addr.sin_addr);
		strcpy(strArr, strPtr);
		printf("Dotted-Decimal notation3 %s \n", strArr);
	}

	WSACleanup();
	return 0;
}

void ErrorHandling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

---

本文章使用limfx的vscode插件快速发布