2023.7.10

第3章、地址族与数据序列

3.1 分配给套接字的IP地址与端口号

IP 是 Internet Protocol（网络协议）的简写，是为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。

为使计算机连接到网络并收发数据，必须为其分配 IP 地址。IP 地址分为两类。

- IPV4（Internet Protocol version 4）4 字节地址族
- IPV6（Internet Protocol version 6）6 字节地址族

两者之间的主要差别是 IP 地址所用的字节数，目前通用的是 IPV4 , IPV6 的普及还需要时间。

IP地址用于区分计算机，只要有IP地址就能向目标主机传输数据，但是只有这些还不够，我们需要把信息传输给具体的应用程序。 端口号就是在同一操作系统内为区分不同套接字而设置的。端口号由 16 位构成，可分配的端口号范围是 0~65535 。但是 0~1023 是知名端口，一般分配给特定的应用程序，所以应当分配给此范围之外的值。虽然端口号不能重复，但是 TCP 套接字和 UDP 套接字不会共用端接口号，所以允许重复。总之，数据传输目标地址同时包含IP地址和端口号，只有这样，数据才会被传输到最终的目的应用程序。

3.2 地址信息的表示

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
};

该结构体中提到的另一个结构体 in_addr 定义如下，它用来存放 32 位IP地址：

struct in_addr
{
    in_addr_t s_addr; //32位IPV4地址
}

结构体 sockaddr_in 的成员分析：

成员 sin_family：每种协议适用的地址族不同，比如，IPV4 使用 4 字节的地址族，IPV6 使用 16 字节的地址族。
该成员保存 16 位端口号，重点在于，它以网络字节序保存。
该成员保存 32 为IP地址信息，且也以网络字节序保存。
无特殊含义。只是为结构体 sockaddr_in 结构体变量地址值将以如下方式传递给 bind 函数。

3.3 网络字节序与地址转换

不同的 CPU 中，4 字节整数值1在内存空间保存方式是不同的。

有些 CPU 这样保存：

00000000 00000000 00000000 00000001

有些 CPU 这样保存：

00000001 00000000 00000000 00000000

两种一种是顺序保存，一种是倒序保存。若不考虑顺序就收发数据容易出问题。

CPU 保存数据的方式有两种，这意味着 CPU 解析数据的方式也有 2 种：

大端序（Big Endian）：高位字节存放到低位地址
小端序（Little Endian）：高位字节存放到高位地址

在通过网络传输数据时必须约定统一的方式，这种约定被称为网络字节序，非常简单，统一为大端序。即，先把数据数组转化成大端序格式再进行网络传输。

介绍一下帮助转换字节序的函数：

unsigned short htons(unsigned short);
unsigned short ntohs(unsigned short);
unsigned long htonl(unsigned long);
unsigned long ntohl(unsigned long);

例如：htons（host to network short）：把short型数据从主机字节序转换为网络字节序。

通常，以s作为后缀的函数中，s代表2字节的short，因此用于端口号转换；以l作为后缀的函数中，l代表4个字节，因此用于IP地址转换。

实验：

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned short host_port = 0x1234;//保存2个字节的数据
    unsigned short net_port;
    unsigned long host_addr = 0x12345678;//保存4个字节的数据
    unsigned long net_addr;
    //转换为网络字节序
    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);

    return 0;
}

实验结果：