windows網路編程第二版 第三章 Internet Protocol 讀書筆記

1. 本章主要講述IP方面的東西，解釋了IPv4, IPv6。在後面的兩個章節中，講述了地址和名字的解析(Address and Name Resolution)，以及如何書寫一個IPv4, IPv6自適應的程式。

2. 簡單摘錄一下IPv4一節的內容：

(1) 可以拿來做私人地址的IP有：

10.0.0.0?10.255.255.255 (10.0.0.0/8)
172.16.0.0?172.31.255.255 (172.16.0.0/12)
192.168.0.0?192.168.255.255 (192.168.0.0/16)

在書寫IP段的時候，經常有/16, /24這樣的寫法。這表示掩碼，/16就表示前16各bit都是1，也就是255.255.0.0。

(2) 如果想在程式中獲得原生網卡和IP地址的配置的話，要使用WSAIoctl函數，配合SIO_ADDRESS_LIST_QUERY命令。在第七章和第16章有介紹。

(3) IP地址的配置有DHCP和手動設定兩種，如果配置了DHCP，但是DHCP伺服器無法reach的話，在逾時後，系統會給網卡賦一個 169.254.0.0/16這個區段內的地址。這依據的是APIPA協議（Automatic Private IP Address）

(4) IPv4 Management Protocols. IPv4協議還需要很多其他協議的支撐，最常見的三種協議是ARP, ICMP, IGMP. IGMP不太熟悉，介紹一下。IGMP(Internet Group Management Protocol)是用於多播的。當一台機器上的某個應用想要加入到一個多播group的時候，它就發出IGMP membership reports，這個訊息會通知路由器，這樣路由器就會將這個請求記錄下來，當以後有多播資訊發出的時候，路由器就會把多播的資訊轉寄到這個多播 group中的每個成員了。第九章會詳細討論多播。

3. IPv6。本節沒有看。

4. Address and Name Resolution. 本節主要介紹兩個函數：getaddrinfo, getnameinfo。getaddrinfo函數主要用於將我們給定的IP地址/主機名稱、連接埠轉換成一個SOCKADDR的結構，也就是本書中經常提 到的二進位的Addressing。getnameinfo和getaddrinfo正好相反，getnameinfo是給定一個SOCKADDR的實 例，然後產生IP地址/主機名稱和連接埠資訊。

這裡需要解釋一下為什麼要用這兩個函數，因為我們在第一章的時候已經看到，我們可以手動申 請一個sockaddr_in的結構，然後在裡面填入IP地址/主機名稱和連接埠這些資訊，然後傳給connect，sendto，bind這些需要 Addressing的函數。理由有這麼幾個：

(1) 使用這兩個函數，可以自適應IPv4和IPv6，而以前用sockaddr_in是針對IPv4的，要支援IPv6，還需要另外再寫代碼。比如，用這兩個 函數，當使用者輸入程式串連的主機名稱和連接埠的時候，由於我們不知道使用者輸入的主機名稱對應的IP是IPv4的，還是IPv6的，還是這台主機v4, v6的地址都有，所以以往我們的代碼要自己來適應這種情況，用這兩個函數，代碼就可以自適應

(2) 使用這兩個函數不用關心主機次序，網路次序這些東西。也就是說，傳統的函數比如inet_addr, gethostbyname這些函數都可以不用寫了。

(3) 用這兩個函數，代碼其實更好理解了。我們只需要傳入IP地址/主機名稱，連接埠這些資訊，然後用getaddrinfo，通過設定不同的hint，就可以得到 addrinfo這個結構，這個結構中的東西既可以拿來建立socket，調用bind，connect，sendto等。

所以我們應該盡量用這兩個函數來操作有關Addressing方面的事宜，以前用的inet_addr, gethostbyname, gethostbyaddr這樣的代碼都應該被重寫，之所以在winsock中還保留了這些函數，是為了和舊代碼相容。

5. OK，現在來看這兩個函數。首先要申明，這兩個函數定義在WS2TCPIP.H中，但是這僅僅是WINXP中是這樣，在其他支援WINSOCK 2的windows系統中，要使用這兩個函數，還需要在include WS2TCPIP.H的前面再include WSPIAPI.H（主要要include在WS2TCPIP.H的前面哦）。

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int getaddrinfo(
      const char FAR *nodename,
      const char FAR *servname,
      const struct addrinfo FAR *hints,
      struct addrinfo FAR *FAR *res
);

nodename -- 主機名稱或IP地址
servname -- service name, 其實就是指定連接埠，或者填寫ftp這樣的字串也可以。在Windows NT這樣的系統中，在%WINDOWS%/system32/drivers/etc目錄下有一個services檔案，裡面填寫了連接埠和service 的對應關係。
hints -- 一個指向addrinfo結構的指標。
res -- 返回的結果資料，不過這個資料可能是個數組，根據hints中填寫的內容不同，函數可能會返回多個SOCKADDR的資料。

getaddrinfo執行成功返回0，返回不是0就是出錯，此時的傳回值就是出錯碼（不需要用WSAGetLastError）

所以，關鍵就是hints的填法，addrinfo結構如下：

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struct addrinfo {
      int      ai_flags;
      int      ai_family;
      int      ai_socktype;
      int      ai_protocol;
      size_t      ai_addrlen;
      char      *ai_canonname;
      struct sockaddr *ai_addr;
      struct addrinfo *ai_next;
};

ai_flags -- 只能取下列三個值中的一個：AI_PASSIVE, AI_CANONNAME, AI_NUMERICHOST. AI_CANONNAME表示getaddrinfo函數中，nodename一項填寫的是主機名稱，例如 www.microsoft.com；AI_NUMERICHOST表示getaddrinfo函數中，nodename填寫的是一個IP地 址；AI_PASSIVE後面會講，主要是給bind用的

ai_family -- AF_INET, AF_INET6, AF_UNSPEC。如果填寫AF_UNSPEC，則getaddrinfo可能會返回一個IPv4的SOCKADDR，或IPV6的SOCKADDR， 或者兩者都返回（所以res是一個數組結構了），關鍵看主機是不是支援IPv6

ai_socktype -- 填寫socket type，比如SOCK_DGRAM, SOCK_STREAM。當getaddrinfo函數中servname一項填寫的是一個服務的名字而不是連接埠數位時候，根據這一項的不同，則返回不 同的連接埠，因為我們知道有些服務可以使用TCP，也可以使用UDP，他們的連接埠是不一樣的

ai_protocol -- 指定protocol，比如IPPROTO_TCP，一樣的，當getaddrinfo中填寫的servname是一個service的名字的時候起作用。

ai_next -- 當返回多個addressing資訊的時候，這是指向下一個addrinfo的指標。注意getaddrinfo函數的返回res也是一個指向addrinfo結構數組的指標

ai_addr -- 返回的sockaddr資訊

如果我們在調用getaddrinfo的時候，hint沒有設定，那麼，getaddrinfo就認為是一個空的hint structure被傳入，而且ai_family一項是設定成AF_UNSPEC的。

下面來看代碼例子：

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SOCKET            s;
struct addrinfo      hints,
            *result;
int            rc;

memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_flags = AI_CANONNAME;
hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
rc = getaddrinfo("foobar", "5001", &hints, &result);
if (rc != 0) {
      // unable to resolve the name
}
s = socket(result->ai_family, result->ai_socktype,
result->ai_protocol);
if (s == INVALID_SOCKET) {
      // socket API failed
}
rc = connect(s, result->ai_addr, result->ai_addrlen);
if (rc == SOCKET_ERROR) {
      // connect API failed
}
freeaddrinfo(result);

上面的代碼中，幾個注意點：

(1) 上面的代碼嘗試串連foobar這台機器的5001連接埠。這裡我們可以看到，我們不關心foobar這台機器是IPv4的還是IPv6的，這完全看網路中 foobar這個名字解析到什麼機器上。如果我們只想串連IPv4的foobar這台機器的話，那麼我們在設定hint這個結構的時候，就可以把 ai_family設成AF_INET。

(2) 千萬注意，由於getaddrinfo返回的result，是動態分配的，所以我們在用完之後一定要記得調用freeaddrinfo函數來釋放。

上面的例子中，我們嘗試串連foobar這台機器，我們也可以嘗試串連一個IP地址（可以是IPv4的，也可以是IPv6的）：

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struct addrinfo      hints,
                 *result;
int            rc;

memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_flags = AI_NUMERICHOST;
hints.ai_family = AI_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
rc = getaddrinfo("172.17.7.1", "5001", &hints, &result);
if (rc != 0) {
      // invalid literal address
}
// Use the result
freeaddrinfo(result);

例子很簡單。如果我們在調用getaddrinfo函數的時候沒有給hint，那麼我們可以在返回的結果資料中（也就是addrinfo結構）查看flags的值，根據這個值來判斷返回的sockaddr結構中是主機名稱還是IP地址

在 addrinfo的flags中，我們還有一個沒有介紹，就是AI_PASSIVE，這個flag是用來取得bind函數所需要的資訊的。對於IPv4來 說，bind需要的是INADDR_ANY(0.0.0.0)，對於IPv6來說，bind需要的是IN6ADDR_ANY(::)。OK，所以我們在調 用getaddrinfo的時候，nodename設成NULL，servname設成我們需要綁定的連接埠或服務名，在hint中，要設定 ai_family，是IPv4的還是IPv6的，或者乾脆設成AF_UNSPEC，此時getaddrinfo就會把兩個版本的資訊都返回出來。

6. getnameinfo:

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int getnameinfo(
      const struct sockaddr FAR *sa,
      socklen_t salen,
      char FAR *host,
      DWORD hostlen,
      char FAR *serv,
      DWORD servlen,
      int flags
);

這個函數是給定sockaddr資料，返回hostname和servname。參數很好理解，sa是給定的sockaddr資訊，host，serv就是hostname和連接埠，hostname是FQDN的。最後的一個flags，他的取值如下：

NI_NOFQDN -- 返回的hostname不帶網域名稱
NI_NUMERICHOST -- 返回IP地址而不是主機名稱
NI_NAMEREQD -- 如果sockaddr不能解析出FQDN的hostname，則返回失敗
NI_NUMERICSERV -- 返回數字連接埠，而不是一個service name。注意，如果我們不指定這個flag時，如果連接埠無法被解析成一個service name，那麼函數會返回錯誤WSANO_DATA
NI_DGRAM -- 用來區分datagram service和stream services

7. Simple Address Conversion.

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INT WSAStringToAddress(
      LPTSTR AddressString,
      INT AddressFamily,
      LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
      LPSOCKADDR lpAddress,
      LPINT lpAddressLength
);

INT WSAAddressToString(
      LPSOCKADDR lpsaAddress,
      DWORD dwAddressLength,
      LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
      LPTSTR lpszAddressString,
      LPDWORD lpdwAddressStringLength
);

這 兩個函數是單純用來做IP地址和Addressing資訊轉換的。也就是說，只能從一個IP地址＋連接埠轉換成一個sockaddr或者是反過來轉換。比如 WSAStringToAddress能接受類似"192.168.0.1:1200"這樣的字串，然後轉換成addressing資料。而 且，WSAStringToAddress也沒有getaddrinfo函數那麼聰明，他必須指定IP地址是IPv4 的還是IPv6的。

8. 傳統的IPv4的處理address和name的函數。

inet_addr -- 把一個IPv4的地址轉換成網路次序的32位long型數
inet_ntoa -- 把一個long型的網路次序的數轉換成一個IPv4地址

gethostbyname, WSAAsyncGetHostByName, gethostbyaddr, WSAAsyncGetHostByAddr，這些函數具體看書中的描述吧，也可以看MSDN。 WSAAsyncGetXXX這樣的函數挺有意思，是非同步，在調用這個函數的時候需要給定一個buffer（這個buffer中將來會被函數填入我們想 要的東西），此外還要給定一個hwnd和msg，這樣當函數完成的時候，會給指定的hwnd視窗發送msg的訊息，從而我們就可以處理了。

9. Writing IP Version-Independent Programs.

本 節就是對上一節的getaddrinfo，getnameinfo函數的一個程式碼範例。在代碼中，還有一點沒有說道的就是，由於使用了這兩個函數，我們不 需要care IPv4，IPv6這些東西了，而且我們也無需自己手動申明一個SOCKADDR_IN, SOCKADDR_IN6這樣的結構變數了，因為getaddrinfo這個函數返回的addrinfo結構中，就有sockaddr的變數，直接拿來用 就行了。如果我們一定要手動申明SOCKADDR類型的變數的話，那也不要用SOCKADDR_IN, SOCKADDR_IN6這樣的結構，而是要用SOCKADDR_STORAGE這個結構，這個結構被設計成能和任何協議的SOCKADDR結構相容，用 這個結構，能保證我們寫出來的程式不綁定在特定的網路通訊協定上。此外，在使用bind等函數的時候用到的地址常量，在winsock的標頭檔中都有常量定 義，不需要手動hardcode。這裡書中寫了一個IPv6的程式的例子，用到了上一節中WSAStringToAddress這個簡易函數來示範書寫 IP版本無關的程式：

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SOCKADDR_STORAGE            saDestination;
SOCKET               s;
int               addrlen,
               rc;

s = socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (s == INVALID_SOCKET) {
      // socket failed
}
addrlen = sizeof(saDestination);
rc = WSAStringToAddress(
         "3ffe:2900:d005:f28d:250:8bff:fea0:92ed",
         AF_INET6,
         NULL,
         (SOCKADDR *)&saDestination,
         &addrlen
         );
if (rc == SOCKET_ERROR) {
      // conversion failed
}
rc = connect(s, (SOCKADDR *)&saDestination, sizeof(saDestination));
if (rc == SOCKET_ERROR) {
      // connect failed
}

程式不難理解，下面我們來看以前寫過的TCP的程式，這次我們用getaddrinfo函數來把Client和Server端的程式都改寫成IP版本無關的代碼。首先來看Client端的代碼：

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SOCKET             s;
struct addrinfo hints,
               *res=NULL
char         *szRemoteAddress=NULL,
               *szRemotePort=NULL;
int         rc;

// Parse the command line to obtain the remote server's
// hostname or address along with the port number, which are contained
// in szRemoteAddress and szRemotePort.
memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
// first resolve assuming string is a string literal address
rc = getaddrinfo(
         szRemoteAddress,
         szRemotePort,
           &hints,
           &res
         );
if (rc == WSANO_DATA) {
      // Unable to resolve name - bail out
   }
s = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
if (s == INVALID_SOCKET) {
      // socket failed
}
rc = connect(s, res->ai_addr, res->ai_addrlen);
if (rc == SOCKET_ERROR) {
      // connect failed
}
freeaddrinfo(res);

在 上面的代碼中，我們看到：如果這是一個完整的程式的話，那麼我們可以從命令列中得到szRemoteAddress, szRemotePort這兩個資訊，而且我們根本不用管這兩項是IPv4的還是IPv6的，只需要把hint中的family設成AF_UNSPEC， 然後去調用getaddrinfo即可。很方便。

而且，如果我們在connect或sendto之前，需要bind的話，也很簡單，前面 說過了，bind唯一需要的就是本機地址和連接埠的描述。我們只需要把前面一次調用getaddrinfo產生的addrinfo結構中的family, socket type, protocol這三項設到一個新的hint中去（不能手動設定哦，一定要用上一次getaddrinfo的傳回值，手動設定的話又會牽涉到IPv4, IPv6這樣的family設定了，用上次返回的資訊，這就是根據我們的szRemoteAddress產生的正確family），同時把 hint.ai_flags設成AI_PASSIVE，然後再調用一次getaddrinfo，這一次調用getaddrinfo，將nodename設 成NULL，servname填上我們想要的連接埠，然後調用getaddrinfo，就能返回我們bind需要的Addressing資訊了。

Server端代碼：

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SOCKET            slisten[16];
char            *szPort="5150";
struct addrinfo              hints,
            * res=NULL,
            * ptr=NULL;
int              count=0,
              rc;

memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
hints.ai_flags = AI_PASSIVE;
rc = getaddrinfo(NULL, szPort, &hints, &res);
if (rc != 0) {
      // failed for some reason
}
ptr = res;
while (ptr)
{
      slisten[count] = socket(ptr->ai_family,
      ptr->ai_socktype, ptr->ai_protocol);
      if (slisten[count] == INVALID_SOCKET) {
         // socket failed
      }
      rc = bind(slisten[count], ptr->ai_addr, ptr->ai_addrlen);
      if (rc == SOCKET_ERROR) {
         // bind failed
      }
      rc = listen(slisten[count], 7);
      if (rc == SOCKET_ERROR) {
         // listen failed
      }
      count++;
      ptr = ptr->ai_next;
}

OK，上面的代碼很好理解，我們看到Server不需要去connect別人，只需要自己 bind然後listen（TCP）。所以，我們設定了hint.ai_flags為 AI_PASSIVE，然後，由於hint.ai_family設成了AF_UNSPEC，所以getaddrinfo會返回IPv4和IPv6兩種 Addressing資訊。既然這樣，我們索性就用迴圈，在getaddrinfo返回的兩個address上都建立socket，都bind，都 listen。