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專欄：《網(wǎng)絡(luò)編程》

套接字概念

Socket本身有“插座”的意思，在Linux環(huán)境下，用于表示進(jìn)程間網(wǎng)絡(luò)通信的特殊文件類型。本質(zhì)為內(nèi)核借助緩沖區(qū)形成的偽文件。
既然是文件，那么理所當(dāng)然的，我們可以使用文件描述符引用套接字。與管道類似的，Linux系統(tǒng)將其封裝成文件的目的是為了統(tǒng)一接口，使得讀寫套接字和讀寫文件的操作一致。區(qū)別是管道主要應(yīng)用于本地進(jìn)程間通信，而套接字多應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程間數(shù)據(jù)的傳遞。
套接字的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，不宜在學(xué)習(xí)初期深入學(xué)習(xí)。
在TCP/IP協(xié)議中，“IP地址+TCP或UDP端口號”唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)通訊中的一個(gè)進(jìn)程?！癐P地址+端口號”就對應(yīng)一個(gè)socket。欲建立連接的兩個(gè)進(jìn)程各自有一個(gè)socket來標(biāo)識，那么這兩個(gè)socket組成的socket pair就唯一標(biāo)識一個(gè)連接。因此可以用Socket來描述網(wǎng)絡(luò)連接的一對一關(guān)系。
套接字通信原理如下圖所示：

在網(wǎng)絡(luò)通信中，套接字一定是成對出現(xiàn)的。一端的發(fā)送緩沖區(qū)對應(yīng)對端的接收緩沖區(qū)。我們使用同一個(gè)文件描述符索發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)。
TCP/IP協(xié)議最早在BSD UNIX上實(shí)現(xiàn)，為TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)的應(yīng)用層編程接口稱為socket API。本章的主要內(nèi)容是socket API，主要介紹TCP協(xié)議的函數(shù)接口，最后介紹UDP協(xié)議和UNIX Domain Socket的函數(shù)接口。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序

我們已經(jīng)知道，內(nèi)存中的多字節(jié)數(shù)據(jù)相對于內(nèi)存地址有大端和小端之分，磁盤文件中的多字節(jié)數(shù)據(jù)相對于文件中的偏移地址也有大端小端之分。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流同樣有大端小端之分，那么如何定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的地址呢？發(fā)送主機(jī)通常將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按內(nèi)存地址從低到高的順序發(fā)出，接收主機(jī)把從網(wǎng)絡(luò)上接到的字節(jié)依次保存在接收緩沖區(qū)中，也是按內(nèi)存地址從低到高的順序保存，因此，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的地址應(yīng)這樣規(guī)定：先發(fā)出的數(shù)據(jù)是低地址，后發(fā)出的數(shù)據(jù)是高地址。
TCP/IP協(xié)議規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流應(yīng)采用大端字節(jié)序，即低地址高字節(jié)。例如上一節(jié)的UDP段格式，地址0-1是16位的源端口號，如果這個(gè)端口號是1000（0x3e8），則地址0是0x03，地址1是0xe8，也就是先發(fā)0x03，再發(fā)0xe8，這16位在發(fā)送主機(jī)的緩沖區(qū)中也應(yīng)該是低地址存0x03，高地址存0xe8。但是，如果發(fā)送主機(jī)是小端字節(jié)序的，這16位被解釋成0xe803，而不是1000。因此，發(fā)送主機(jī)把1000填到發(fā)送緩沖區(qū)之前需要做字節(jié)序的轉(zhuǎn)換。同樣地，接收主機(jī)如果是小端字節(jié)序的，接到16位的源端口號也要做字節(jié)序的轉(zhuǎn)換。如果主機(jī)是大端字節(jié)序的，發(fā)送和接收都不需要做轉(zhuǎn)換。同理，32位的IP地址也要考慮網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序和主機(jī)字節(jié)序的問題。
為使網(wǎng)絡(luò)程序具有可移植性，使同樣的C代碼在大端和小端計(jì)算機(jī)上編譯后都能正常運(yùn)行，可以調(diào)用以下庫函數(shù)做網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序和主機(jī)字節(jié)序的轉(zhuǎn)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);

h表示host，n表示network，l表示32位長整數(shù)，s表示16位短整數(shù)。
如果主機(jī)是小端字節(jié)序，這些函數(shù)將參數(shù)做相應(yīng)的大小端轉(zhuǎn)換然后返回，如果主機(jī)是大端字節(jié)序，這些函數(shù)不做轉(zhuǎn)換，將參數(shù)原封不動地返回。

IP地址轉(zhuǎn)換函數(shù)

早期：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

只能處理IPv4的ip地址
注意參數(shù)是struct in_addr
現(xiàn)在：

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

支持IPv4和IPv6
其中inet_pton和inet_ntop不僅可以轉(zhuǎn)換IPv4的in_addr，還可以轉(zhuǎn)換IPv6的in6_addr。
因此函數(shù)接口是void *addrptr。
sockaddr數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
strcut sockaddr 很多網(wǎng)絡(luò)編程函數(shù)誕生早于IPv4協(xié)議，那時(shí)候都使用的是sockaddr結(jié)構(gòu)體,為了向前兼容，現(xiàn)在sockaddr退化成了（void *）的作用，傳遞一個(gè)地址給函數(shù)，至于這個(gè)函數(shù)是sockaddr_in還是sockaddr_in6，由地址族確定，然后函數(shù)內(nèi)部再強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化為所需的地址類型。

sockaddr數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct sockaddr {
	sa_family_t sa_family; 		/* address family, AF_xxx */
	char sa_data[14];			/* 14 bytes of protocol address */
};

使用 sudo grep -r “struct sockaddr_in {” /usr 命令可查看到struct sockaddr_in結(jié)構(gòu)體的定義。一般其默認(rèn)的存儲位置：/usr/include/linux/in.h 文件中。

struct sockaddr_in {
	__kernel_sa_family_t sin_family; 			/* Address family */  	地址結(jié)構(gòu)類型
	__be16 sin_port;					 		/* Port number */		端口號
	struct in_addr sin_addr;					/* Internet address */	IP地址
	/* Pad to size of `struct sockaddr'. */
	unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
	sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};

struct in_addr {						/* Internet address. */
	__be32 s_addr;
};

struct sockaddr_in6 {
	unsigned short int sin6_family; 		/* AF_INET6 */
	__be16 sin6_port; 					/* Transport layer port # */
	__be32 sin6_flowinfo; 				/* IPv6 flow information */
	struct in6_addr sin6_addr;			/* IPv6 address */
	__u32 sin6_scope_id; 				/* scope id (new in RFC2553) */
};

struct in6_addr {
	union {
		__u8 u6_addr8[16];
		__be16 u6_addr16[8];
		__be32 u6_addr32[4];
	} in6_u;
	#define s6_addr 		in6_u.u6_addr8
	#define s6_addr16 	in6_u.u6_addr16
	#define s6_addr32	 	in6_u.u6_addr32
};

#define UNIX_PATH_MAX 108
	struct sockaddr_un {
	__kernel_sa_family_t sun_family; 	/* AF_UNIX */
	char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; 	/* pathname */
};

IPv4和IPv6的地址格式定義在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in結(jié)構(gòu)體表示，包括16位端口號和32位IP地址，IPv6地址用sockaddr_in6結(jié)構(gòu)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sock-addr_un結(jié)構(gòu)體表示。各種socket地址結(jié)構(gòu)體的開頭都是相同的，前16位表示整個(gè)結(jié)構(gòu)體的長度（并不是所有UNIX的實(shí)現(xiàn)都有長度字段，如Linux就沒有），后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(shù)AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。這樣，只要取得某種sockaddr結(jié)構(gòu)體的首地址，不需要知道具體是哪種類型的sockaddr結(jié)構(gòu)體，就可以根據(jù)地址類型字段確定結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)容。因此，socket API可以接受各種類型的sockaddr結(jié)構(gòu)體指針做參數(shù)，例如bind、accept、connect等函數(shù)，這些函數(shù)的參數(shù)應(yīng)該設(shè)計(jì)成void *類型以便接受各種類型的指針，但是sock API的實(shí)現(xiàn)早于ANSI C標(biāo)準(zhǔn)化，那時(shí)還沒有void *類型，因此這些函數(shù)的參數(shù)都用struct sockaddr *類型表示，在傳遞參數(shù)之前要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換一下，例如：

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

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-454472.html

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