UNIX網絡編程——socket概述和字節序、地址轉換函數

1、什麼是socket

socket能夠當作是用戶進程與內核網絡協議棧的編程接口。
socket不只能夠用於本機的進程間通訊，還能夠用於網絡上不一樣主機的進程間通訊。

socket API是一層抽象的網絡編程接口，適用於各類底層網絡協議，如IPv四、IPv6，以及之後要講的UNIX Domain Socket。然而，各類網絡協議的地址格式並不相同，以下圖所示：

         

IPv4和IPv6的地址格式定義在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in結構體表示，包括16位端口號和32位IP地址，以下所示：

struct sockaddr_in {
        uint8_t        sin_len; /*length of structure (16)*/
        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 */
        char           sin_zero[8]; /* pad bytes,  set to zero is ok */
};

struct in_addr{
		in_addr_t s_addr; /*32-bit IPV4 address*/
};

sa_family_t是一個無符號短整型（unsigned short）。in_addr_t數據類型必須是一個至少32位的無符號整數類型，in_port_t必須是一個至少16位的無符號的整數類型。

IPv6地址用sockaddr_in6結構體表示，包括16位端口號、128位IP地址和一些控制字段。UNIX Domain Socket的地址格式定義在sys/un.h中，用sockaddr_un結構體表示。各類socket地址結構體的開頭都是相同的，前16位表示整個結構體的長度（並非全部UNIX的實現都有長度字段，如Linux就沒有），後16位表示地址類型。IPv四、IPv6和UNIX Domain Socket的地址類型分別定義爲常數AF_INET、AF_INET六、AF_UNIX。這樣，只要取得某種sockaddr結構體的首地址，不須要知道具體是哪一種類型的sockaddr結構體，就能夠根據地址類型字段肯定結構體中的內容。所以，socket API能夠接受各類類型的sockaddr結構體指針作參數，例如bind、accept、connect等函數，這些函數的參數應該設計成void *類型以便接受各類類型的指針，可是sock API的實現早於ANSI C標準化，那時尚未void *類型，所以這些函數的參數都用struct sockaddr *類型表示，即通用地址結構，以下所示：

struct sockaddr {
		uint8_t      sa_len;
		sa_family_t  sin_family;
		char         sa_data[14];
}; 

sin_family：指定該地址家族
sa_data：由sin_family決定它的形式。

在傳遞參數以前要強制類型轉換一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;

/* initialize servaddr *

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

2、網絡字節序

字節序
大端字節序（Big Endian)
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存儲於最低內存地址處，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存儲於最高內存地址處。
小端字節序（Little Endian）
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存儲於最高內存地址處，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存儲於最低內存地址處。
主機字節序
不一樣的主機有不一樣的字節序，如x86爲小端字節序，Motorola 6800爲大端字節序，ARM字節序是可配置的。

網絡字節序
網絡字節序規定爲大端字節序

爲使網絡程序具備可移植性，使一樣的C代碼在大端和小端計算機上編譯後都能正常運行，能夠調用如下庫函數作網絡字節序和主機字節序的轉換。

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

這些函數名很好記，h表示host，n表示network，l表示32位長整數，s表示16位短整數。例如htonl表示將32位的長整數從主機字節序轉換爲網絡字節序，例如將IP地址轉換後準備發送。若是主機是小端字節序，這些函數將參數作相應的大小端轉換而後返回，若是主機是大端字節序，這些函數不作轉換，將參數原封不動地返回。

下面寫個小程序測試下主機的大小端：

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

int main(void)
{
    unsigned int x = 0x12345678;
    unsigned char *p = (unsigned char *)&x;
    printf("%x %x %x %x\n", p[0], p[1], p[2], p[3]);

    unsigned int y = htonl(x);
    p = (unsigned char *)&y;
    printf("%x %x %x %x\n", p[0], p[1], p[2], p[3]);

    return 0;
}

運行結果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
78 56 34 12
12 34 56 78

即本主機是小端字節序，而通過htonl 轉換後爲網絡字節序，即大端。

3、地址轉換函數

前面提到的 sockaddr_in 結構體中的成員struct in_addr sin_addr表示32位的IP地址。可是咱們一般用點分十進制的字符串表示IP地址，如下函數能夠在字符串表示和in_addr表示之間轉換。

字符串轉in_addr的函數：

#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *strptr, struct in_addr *addrptr);
in_addr_t inet_addr(const char *strptr);
int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr);

注意：轉換而成的32位數是網絡字節序的。
in_addr轉字符串的函數：

char *inet_ntoa(struct in_addr inaddr);
const char *inet_ntop(int family, const void *addrptr, char *strptr, size_t len);

注意：傳入的32位數也是網絡字節序的。
其中inet_pton和inet_ntop不只能夠轉換IPv4的in_addr，還能夠轉換IPv6的in6_addr，所以函數接口是void *addrptr。

下面寫個小程序演示一下：

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

int main(void)
{

    unsigned int  addr = inet_addr("192.168.0.100"); //轉換後是網絡字節序（大端）
    printf("add=%u\n", ntohl(addr));

    struct in_addr ipaddr;
    ipaddr.s_addr = addr;
    printf("%s\n", inet_ntoa(ipaddr));

    return 0;
}

運行結果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
add=3232235620
192.168.0.100

注意，在打印addr的時候先轉換成主機字節序，不然輸出多是負數。

4、套接字類型

流式套接字(SOCK_STREAM)提供面向鏈接的、可靠的數據傳輸服務，數據無差錯，無重複的發送，且按發送順序接收。數據報式套接字(SOCK_DGRAM)提供無鏈接服務。不提供無錯保證，數據可能丟失或重複，而且接收順序混亂。原始套接字（SOCK_RAW）