socket地址API（Linux网络编程基础API）

news2024/11/15 17:40:34

socket

目标进程的标识（套接字）由两部分组成：

IP地址：标识出计算机所在的网络位置。
端口号：标识出计算机上特定的进程。

字节序

字节序定义了多字节数据在内存中的存储顺序，是处理器架构的特性。字节序有两种：

大端字节序：最高地址存储最低有效字节。
小端字节序：最低地址存储最低有效字节。

eg. 检测本机字节序

#include <stdio.h>
// 函数用于检测字节序
void byteorder() {
    // 定义一个共用体，用于检查字节序
    union {
        int value;                 // 整型变量
        char union_bytes[sizeof(int)]; // 存储整型变量的字节数组
    } test;
    // 最高有效字节是4 最低有效字节是1
    test.value = 0x04030201;

    // 根据字节数组的内容判断字节序
    if (test.union_bytes[0] == 4) {
        printf("big endian\n"); // 大端序：最低字节地址存储最高有效字节
    } else if (test.union_bytes[0] == 1) {
        printf("little endian\n"); // 小端序：最低字节地址存储最低有效字节
    } else {
        printf("unknown\n");
    }
}

int main() {
    byteorder(); 
    return 0;
}

无论什么字节序，最高有效字节总在最左边，最低有效字节总在最右边。一个32位整数0x04030201，最高有效字节是4，最低有效字节是1。若将字符指针cp强行转换到这个整型数地址，在小端序处理器上，cp[0]指向1；在大端序处理器上，cp[0]指向4。

网络字节序

在网络协议中（如 TCP/IP）通常使用大端序来确保不同系统间的数据一致性。Linux提供4个函数完成主机字节序和网络字节序的转换。

#include <netinet/in.h>

// 将32位主机字节序整数转换为网络字节序
uint32_t htonl(uint32_t hostint32);

// 将16位主机字节序整数转换为网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostint16);

// 将32位网络字节序整数转换为主机字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netint32);

// 将16位网络字节序整数转换为主机字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netint16);

长整型函数通常用来转换IP地址，短整型函数用来转换端口号。

地址格式

常见地址族

套接字地址是用来标识特定套接字的通信端点，并且它的格式取决于所使用的地址族。每个地址族（如 IPv4、IPv6、Unix 域等）有其特定的地址格式和解析规则。常见的地址族包括：

描述	协议族	地址族	地址值含义和长度
UNIX本地协议族	PF_UNIX	AF_UNIX	文件系统中的路径，长度可达108字节
TCP/IPv4协议族	PF_INET	AF_INET	16bit端口号和32bitIPv4地址，共6字节
TCP/IPv6协议族	PF_INET6	AF_INET6	16bit端口号，32bit流标识和128bitIPv6地址，共26字节

Linux系统通用socket地址结构体

#include <bits/socket.h>

// 通用套接字地址结构体
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;     // 地址族，例如 AF_INET 或 AF_INET6
    char sa_data[14];         // 地址数据，存储地址信息
};

为了简化不同协议族（如IPv4、IPv6、UNIX域套接字等）的地址操作，Linux提供了专门的套接字地址结构体。这些结构体封装了协议族特定的信息，使得设置和获取IP地址、端口号等操作更直观。

UNIX本地协议族

#include <sys/un.h>

// UNIX域套接字地址结构体
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sun_family;  // 地址族，通常设置为 AF_UNIX
    char sun_path[108];      // 套接字路径，用于本地通信的文件系统路径
};

TCP/IPv4协议族

#include <netinet/in.h>
#include <stdint.h>

// IPv4套接字地址结构体
struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;  // 地址族，通常设置为 AF_INET
    in_port_t sin_port;      // 端口号，16位无符号整数，网络字节序
    struct in_addr sin_addr; // IP地址，结构体类型为 struct in_addr
};

// IPv4地址结构体
struct in_addr {
    in_addr_t s_addr; // IPv4地址，32位无符号整数，网络字节序
};

TCP/IPv6协议族

#include <stdint.h>
#include <netinet/in.h>

// IPv6 地址的结构体
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t sin6_family;     // 地址族，IPv6 通常为 AF_INET6
    in_port_t sin6_port;          // 端口号（网络字节序）
    uint32_t sin6_flowinfo;      // 流量信息（通常用于 QoS）
    struct in6_addr sin6_addr;  // IPv6 地址
    uint32_t sin6_scope_id;      // 地址作用域 ID（用于链路本地地址和站点本地地址）
};

// IPv6 地址的结构体
struct in6_addr {
    uint8_t s6_addr[16]; // IPv6地址（16 字节，128 位）
};

IP地址转换函数

适用于IPv4的函数

in_addr_t inet_addr(const char* strptr);

用于将IPv4地址从点分十进制格式的字符串转换为网络字节序的32位二进制格式，一般改用inet_aton了。

strptr：点分十进制格式的 IPv4 地址字符串。

返回值：转换后的in_addr_t类型的地址（网络字节序）。如果字符串无效或地址无法解析，则返回INADDR_NONE（通常是-1）。

int inet_aton(const char* cp, struct in_addr* inp);

用于将一个IPv4地址的字符串表示形式转换为网络字节序的二进制格式，并将结果存储在struct in_addr结构体中。

cp：点分十进制格式的 IPv4 地址字符串。

inp：指向struct in_addr结构体的指针，用于存储转换后的二进制地址。

返回值：成功返回1，表示地址字符串成功转换；失败返回0，表示地址字符串无法转换。

char* inet_ntoa(struct in_addr in);

inp：结构体in_addr类型，包含一个 32 位的 IPv4 地址（以网络字节序存储）。

返回值：指向静态缓冲区的指针，该缓冲区包含转换后的点分十进制字符串表示形式。请注意，这个缓冲区是静态的，所以每次调用inet_ntoa时它的内容可能会被覆盖。

eg. 缓冲区覆盖案例

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    struct in_addr addr1;
    struct in_addr addr2;
    addr1.s_addr = htonl(0xc0a80101); // 192.168.1.1
    addr2.s_addr = htonl(0xc0a80102); // 192.168.1.2

    char* str1 = inet_ntoa(addr1); // addr1转换为字符串 存储在静态缓冲区中
    char* str2 = inet_ntoa(addr2); // addr2转换为字符串 存储在同一个静态缓冲区中 覆盖了之前的内容
    
    printf("address 1: %s\n", str1);
    printf("address 2: %s\n", str2);
}

适用于IPv4和IPv6的函数

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

用于将一个IP地址字符串转换为网络字节序的二进制格式。

af：地址族，指定要转换的IP地址类型，如AF_INET，AF_INET6。

src：指向包含IP地址文本表示的字符串的指针。

dst：指向一个缓冲区的指针，用于存储转换后的二进制格式的IP地址。对于IPv4，指向struct in_addr结构体；对于IPv6，指向struct in6_addr结构体。

返回值：1，成功；0，输入的IP地址字符串格式无效；-1，发生错误，错误可通过errno获取。

const char* inet_ntop(int af, const void* src, char* dst, socklen_t cnt);

用于将网络字节序的IP地址转换为文本字符串表示。

af：地址族，指定要转换的IP地址类型，如AF_INET，AF_INET6。

src：指向包含网络字节序IP地址的二进制数据的指针。对于IPv4，指向struct in_addr结构体；对于IPv6，指向struct in6_addr结构体。

dst：指向一个字符数组的指针，用于存储转换后的文本格式的IP地址。

cnt：dst指向的缓冲区的大小，以字节为单位。

两个宏可以用于指定cnt大小：

#define INET_ADDRSTRLEN 16
#define INET6_ADDRSTRLEN 46

返回值：成功，返回dst指针，指向包含文本格式IP地址的缓冲区；失败返回NULL，错误可通过errno获取。