大端序和小端序

CPU向内存保存数据的方式有两种：

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

仅凭描述很难解释清楚，不妨来看一个实例。假设在 0x20 号开始的地址中保存4字节 int 型数据 0x12345678，大端序CPU保存方式如下图所示：

图1：整数 0x12345678 的大端序字节表示

对于大端序，最高位字节 0x12 存放到低位地址，最低位字节 0x78 存放到高位地址。小端序的保存方式如下图所示：

图2：整数 0x12345678 的小端序字节表示

不同CPU保存和解析数据的方式不同（主流的Intel系列CPU为小端序），小端序系统和大端序系统通信时会发生数据解析错误。因此在发送数据前，要将数据转换为统一的格式——网络字节序（Network Byte Order）。网络字节序统一为大端序。

主机A先把数据转换成大端序再进行网络传输，主机B收到数据后先转换为自己的格式再解析。

网络字节序转换函数

在《使用bind()和connect()函数》一节中讲解了 sockaddr_in 结构体，其中就用到了网络字节序转换函数，如下所示：

//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET; //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口号

htons() 用来将当前主机字节序转换为网络字节序，其中h代表主机（host）字节序，n代表网络（network）字节序，s代表short，htons 是 h、to、n、s 的组合，可以理解为”将short型数据从当前主机字节序转换为网络字节序“。

常见的网络字节转换函数有：

htons()：host to network short，将short类型数据从主机字节序转换为网络字节序。
ntohs()：network to host short，将short类型数据从网络字节序转换为主机字节序。
htonl()：host to network long，将long类型数据从主机字节序转换为网络字节序。
ntohl()：network to host long，将long类型数据从网络字节序转换为主机字节序。

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

举例说明上述函数的调用过程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
int main(){
unsigned short host_port = 0x1234, net_port;
unsigned long host_addr = 0x12345678, net_addr;
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);
system("pause");
return 0;
}

运行结果：
Host ordered port: 0x1234
Network ordered port: 0x3412
Host ordered address: 0x12345678
Network ordered address: 0x78563412

另外需要说明的是，sockaddr_in 中保存IP地址的成员为32位整数，而我们熟悉的是点分十进制表示法，例如 127.0.0.1，它是一个字符串，因此为了分配IP地址，需要将字符串转换为4字节整数。

inet_addr() 函数可以完成这种转换。inet_addr() 除了将字符串转换为32位整数，同时还进行网络字节序转换。请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
int main(){
char *addr1 = "1.2.3.4";
char *addr2 = "1.2.3.256";
unsigned long conv_addr = inet_addr(addr1);
if(conv_addr == INADDR_NONE){
puts("Error occured!");
}else{
printf("Network ordered integer addr: %#lx\n", conv_addr);
}
conv_addr = inet_addr(addr2);
if(conv_addr == INADDR_NONE){
puts("Error occured!");
}else{
printf("Network ordered integer addr: %#lx\n", conv_addr);
}
system("pause");
return 0;
}

运行结果：
Network ordered integer addr: 0x4030201
Error occured!

从运行结果可以看出，inet_addr() 不仅可以把IP地址转换为32位整数，还可以检测无效IP地址。

注意：为 sockaddr_in 成员赋值时需要显式地将主机字节序转换为网络字节序，而通过 write()/send() 发送数据时TCP协议会自动转换为网络字节序，不需要再调用相应的函数。

在socket中使用域名

客户端中直接使用IP地址会有很大的弊端，一旦IP地址变化（IP地址会经常变动），客户端软件就会出现错误。

而使用域名会方便很多，注册后的域名只要每年续费就永远属于自己的，更换IP地址时修改域名解析即可，不会影响软件的正常使用。

关于域名注册、域名解析、host 文件、DNS 服务器等本节并未详细讲解，请读者自行脑补。本节重点讲解如何使用域名。

通过域名获取IP地址

域名仅仅是IP地址的一个助记符，目的是方便记忆，通过域名并不能找到目标计算机，通信之前必须要将域名转换成IP地址。

gethostbyname() 函数可以完成这种转换，它的原型为：

struct hostent *gethostbyname(const char *hostname);

hostname 为主机名，也就是域名。使用该函数时，只要传递域名字符串，就会返回域名对应的IP地址。返回的地址信息会装入 hostent 结构体，该结构体的定义如下：

struct hostent{
char *h_name; //official name
char **h_aliases; //alias list
int h_addrtype; //host address type
int h_length; //address lenght
char **h_addr_list; //address list
}

从该结构体可以看出，不只返回IP地址，还会附带其他信息，各位读者只需关注最后一个成员 h_addr_list。下面是对各成员的说明：

h_name：官方域名（Official domain name）。官方域名代表某一主页，但实际上一些著名公司的域名并未用官方域名注册。
h_aliases：别名，可以通过多个域名访问同一主机。同一IP地址可以绑定多个域名，因此除了当前域名还可以指定其他域名。
h_addrtype：gethostbyname() 不仅支持 IPv4，还支持 IPv6，可以通过此成员获取IP地址的地址族（地址类型）信息，IPv4 对应 AF_INET，IPv6 对应 AF_INET6。
h_length：保存IP地址长度。IPv4 的长度为4个字节，IPv6 的长度为16个字节。
h_addr_list：这是最重要的成员。通过该成员以整数形式保存域名对应的IP地址。对于用户较多的服务器，可能会分配多个IP地址给同一域名，利用多个服务器进行均衡负载。

hostent 结构体变量的组成如下图所示：

下面的代码主要演示 gethostbyname() 的应用，并说明 hostent 结构体的特性：

纯文本复制

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
int main(){
WSADATA wsaData;
WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
struct hostent *host = gethostbyname("www.baidu.com");
if(!host){
puts("Get IP address error!");
system("pause");
exit(0);
}
//别名
for(int i=0; host->h_aliases[i]; i++){
printf("Aliases %d: %s\n", i+1, host->h_aliases[i]);
}
//地址类型
printf("Address type: %s\n", (host->h_addrtype==AF_INET) ? "AF_INET": "AF_INET6");
//IP地址
for(int i=0; host->h_addr_list[i]; i++){
printf("IP addr %d: %s\n", i+1, inet_ntoa( *(struct in_addr*)host->h_addr_list[i] ) );
}
system("pause");
return 0;
}

运行结果：
Aliases 1: www.baidu.com
Address type: AF_INET
IP addr 1: 61.135.169.121
IP addr 2: 61.135.169.125

理解UDP套接字

TCP 是面向连接的传输协议，建立连接时要经过三次握手，断开连接时要经过四次握手，中间传输数据时也要回复ACK包确认，多种机制保证了数据能够正确到达，不会丢失或出错。

UDP 是非连接的传输协议，没有建立连接和断开连接的过程，它只是简单地把数据丢到网络中，也不需要ACK包确认。

UDP 传输数据就好像我们邮寄包裹，邮寄前需要填好寄件人和收件人地址，之后送到快递公司即可，但包裹是否正确送达、是否损坏我们无法得知，也无法保证。UDP 协议也是如此，它只管把数据包发送到网络，然后就不管了，如果数据丢失或损坏，发送端是无法知道的，当然也不会重发。

既然如此，TCP应该是更加优质的传输协议吧？

如果只考虑可靠性，TCP的确比UDP好。但UDP在结构上比TCP更加简洁，不会发送ACK的应答消息，也不会给数据包分配Seq序号，所以UDP的传输效率有时会比TCP高出很多，编程中实现UDP也比TCP简单。

UDP 的可靠性虽然比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁，在更加重视传输效率而非可靠性的情况下，UDP是一种很好的选择。比如视频通信或音频通信，就非常适合采用UDP协议；通信时数据必须高效传输才不会产生“卡顿”现象，用户体验才更加流畅，如果丢失几个数据包，视频画面可能会出现“雪花”，音频可能会夹带一些杂音，这些都是无妨的。

与UDP相比，TCP的生命在于流控制，这保证了数据传输的正确性。

最后需要说明的是：TCP的速度无法超越UDP，但在收发某些类型的数据时有可能接近UDP。例如，每次交换的数据量越大，TCP 的传输速率就越接近于 UDP。

基于UDP的服务器端和客户端

前面的文章中我们给出了几个TCP的例子，对于UDP而言，只要能理解前面的内容，实现并非难事。

UDP中的服务器端和客户端没有连接

UDP不像TCP，无需在连接状态下交换数据，因此基于UDP的服务器端和客户端也无需经过连接过程。也就是说，不必调用 listen() 和 accept() 函数。UDP中只有创建套接字的过程和数据交换的过程。

UDP服务器端和客户端均只需1个套接字

TCP中，套接字是一对一的关系。如要向10个客户端提供服务，那么除了负责监听的套接字外，还需要创建10套接字。但在UDP中，不管是服务器端还是客户端都只需要1个套接字。之前解释UDP原理的时候举了邮寄包裹的例子，负责邮寄包裹的快递公司可以比喻为UDP套接字，只要有1个快递公司，就可以通过它向任意地址邮寄包裹。同样，只需1个UDP套接字就可以向任意主机传送数据。

基于UDP的接收和发送函数

创建好TCP套接字后，传输数据时无需再添加地址信息，因为TCP套接字将保持与对方套接字的连接。换言之，TCP套接字知道目标地址信息。但UDP套接字不会保持连接状态，每次传输数据都要添加目标地址信息，这相当于在邮寄包裹前填写收件人地址。

发送数据使用 sendto() 函数：

ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen); //Linux
int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen); //Windows

Linux和Windows下的 sendto() 函数类似，下面是详细参数说明：

sock：用于传输UDP数据的套接字；
buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
nbytes：带传输数据的长度（以字节计）；
flags：可选项参数，若没有可传递0；
to：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
addrlen：传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。

UDP 发送函数 sendto() 与TCP发送函数 write()/send() 的最大区别在于，sendto() 函数需要向他传递目标地址信息。

接收数据使用 recvfrom() 函数：

ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen); //Linux
int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen); //Windows

由于UDP数据的发送端不不定，所以 recvfrom() 函数定义为可接收发送端信息的形式，具体参数如下：

sock：用于接收UDP数据的套接字；
buf：保存接收数据的缓冲区地址；
nbytes：可接收的最大字节数（不能超过buf缓冲区的大小）；
flags：可选项参数，若没有可传递0；
from：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址；
addrlen：保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。

基于UDP的回声服务器端/客户端

下面结合之前的内容实现回声客户端。需要注意的是，UDP不同于TCP，不存在请求连接和受理过程，因此在某种意义上无法明确区分服务器端和客户端，只是因为其提供服务而称为服务器端，希望各位读者不要误解。

下面给出Windows下的代码，Linux与此类似，不再赘述。

服务器端 server.cpp：

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib") //加载 ws2_32.dll
#define BUF_SIZE 100
int main(){
WSADATA wsaData;
WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
//创建套接字
SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
//绑定套接字
sockaddr_in servAddr;
memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr)); //每个字节都用0填充
servAddr.sin_family = PF_INET; //使用IPv4地址
servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //自动获取IP地址
servAddr.sin_port = htons(1234); //端口
bind(sock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(SOCKADDR));
//接收客户端请求
SOCKADDR clntAddr; //客户端地址信息
int nSize = sizeof(SOCKADDR);
char buffer[BUF_SIZE]; //缓冲区
while(1){
int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &clntAddr, &nSize);
sendto(sock, buffer, strLen, 0, &clntAddr, nSize);
}
closesocket(sock);
WSACleanup();
return 0;
}

代码说明：
1) 第12行代码在创建套接字时，向 socket() 第二个参数传递 SOCK_DGRAM，以指明使用UDP协议。

2) 第18行代码中使用htonl(INADDR_ANY)来自动获取IP地址。

利用常数 INADDR_ANY 自动获取IP地址有一个明显的好处，就是当软件安装到其他服务器或者服务器IP地址改变时，不用再更改源码重新编译，也不用在启动软件时手动输入。而且，如果一台计算机中已分配多个IP地址（例如路由器），那么只要端口号一致，就可以从不同的IP地址接收数据。所以，服务器中优先考虑使用INADDR_ANY；而客户端中除非带有一部分服务器功能，否则不会采用。

客户端 client.cpp：

#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") //加载 ws2_32.dll
#define BUF_SIZE 100
int main(){
//初始化DLL
WSADATA wsaData;
WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
//创建套接字
SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
//服务器地址信息
sockaddr_in servAddr;
memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr)); //每个字节都用0填充
servAddr.sin_family = PF_INET;
servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
servAddr.sin_port = htons(1234);
//不断获取用户输入并发送给服务器，然后接受服务器数据
sockaddr fromAddr;
int addrLen = sizeof(fromAddr);
while(1){
char buffer[BUF_SIZE] = {0};
printf("Input a string: ");
gets(buffer);
sendto(sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr));
int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &fromAddr, &addrLen);
buffer[strLen] = 0;
printf("Message form server: %s\n", buffer);
}
closesocket(sock);
WSACleanup();
return 0;
}

先运行 server，再运行 client，client 输出结果为：

Input a string: C语言中文网
Message form server: C语言中文网
Input a string: c.biancheng.net Founded in 2012
Message form server: c.biancheng.net Founded in 2012
Input a string:

从代码中可以看出，server.cpp 中没有使用 listen() 函数，client.cpp 中也没有使用 connect() 函数，因为 UDP 不需要连接。