linux網路編程之socket（一）：socket概述和位元組序、地址轉換函式

一、什麼是socket

socket可以看成是使用者進程與核心網路通訊協定棧的編程介面。
socket不僅可以用於原生處理序間通訊，還可以用於網路上不同主機的處理序間通訊。

socket API是一層抽象的網路編程介面，適用於各種底層網路通訊協定，如IPv4、IPv6，以及以後要講的UNIX Domain Socket。然而，各種網路通訊協定的地址格式並不相同，如所示：

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位連接埠號碼和32位IP地址，如下所示：

   struct sockaddr_in {
               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 */
           };

  /* Internet address. */
           struct in_addr {
               uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */

           };

IPv6地址用sockaddr_in6結構體表示，包括16位連接埠號碼、128位IP地址和一些控制欄位。UNIX Domain Socket的地址格式定義在sys/un.h中，用sockaddr_un結構體表示。各種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（並不是所有UNIX的實現都有長度欄位，如Linux就沒有），後16位表示地址類型。IPv4、IPv6和UNIX
Domain Socket的地址類型分別定義為常數AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。這樣，只要取得某種sockaddr結構體的首地址，不需要知道具體是哪種類型的sockaddr結構體，就可以根據地址類型欄位確定結構體中的內容。因此，socket API可以接受各種類型的sockaddr結構體指標做參數，例如bind、accept、connect等函數，這些函數的參數應該設計成void *類型以便接受各種類型的指標，但是sock API的實現早於ANSI C標準化，那時還沒有void *類型，因此這些函數的參數都用struct
sockaddr *類型表示，即通用地址結構，如下所示：

struct sockaddr {
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。

在傳遞參數之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));

二、網路位元組序

位元組序
大端位元組序（Big Endian)
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）儲存於最低記憶體位址處，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）儲存於最高記憶體位址處。
小端位元組序（Little Endian）
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）儲存於最高記憶體位址處，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）儲存於最低記憶體位址處。
主機位元組序
不同的主機有不同的位元組序，如x86為小端位元組序，Motorola 6800為大端位元組序，ARM位元組序是可配置的。

網路位元組序
網路位元組序規定為大端位元組序

為使網路程式具有可移植性，使同樣的C代碼在大端和小端電腦上編譯後都能正常運行，可以調用以下庫函數做網路位元組序和主機位元組序的轉換。

#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位的長整數從主機位元組序轉換為網路位元組序，例如將IP地址轉換後準備發送。如果主機是小端位元組序，這些函數將參數做相應的大小端轉換然後返回，如果主機是大端位元組序，這些函數不做轉換，將參數原封不動地返回。

下面寫個小程式測試下主機的大小端：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

/*************************************************************************     > File Name: byteorder.c     > Author: Simba     > Mail: dameng34@163.com     > Created Time: Fri 01 Mar 2013 04:16:08 PM CST  ************************************************************************/ #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; }

輸出為：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./byteorder 
78 56 34 12
12 34 56 78

即本主機是小端位元組序，而經過htonl 轉換後為網路位元組序，即大端。

三、地址轉換函式

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。但是我們通常用點分十進位的字串表示IP地址，以下函數可以在字串表示和in_addr表示之間轉換。

字串轉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位元是網路位元組序的。

in_addr轉字串的函數：

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位元也是網路位元組序的。

其中inet_pton和inet_ntop不僅可以轉換IPv4的in_addr，還可以轉換IPv6的in6_addr，因此函數介面是void *addrptr。

下面寫個小程式示範一下：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

/*************************************************************************     > File Name: addr_in.c     > Author: Simba     > Mail: dameng34@163.com     > Created Time: Fri 01 Mar 2013 04:16:08 PM CST  ************************************************************************/ #include<stdio.h> #include<arpa/inet.h> int main(void) {     unsigned int  addr = inet_addr("192.168.0.100"); //轉換後是網路位元組序（大端）     printf("add=%u\n", ntohl(addr));     struct in_addr ipaddr;     ipaddr.s_addr = addr;     printf("%s\n", inet_ntoa(ipaddr));     return 0; }

輸出為：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./addr_in 
add=3232235620
192.168.0.100

注意，在列印addr的時候先轉換成主機位元組序，否則輸出可能是負數。

四、通訊端類型

流式通訊端(SOCK_STREAM)
提供連線導向的、可靠的Data Transmission Service，資料無差錯，無重複的發送，且按發送順序接收。
資料報式通訊端(SOCK_DGRAM)
提供無串連服務。不提供無錯保證，資料可能丟失或重複，並且接收順序混亂。
原始通訊端（SOCK_RAW）

參考：

《Linux C 編程一站式學習》

《TCP/IP詳解 卷一》