TCP/IP 网络编程---地址族与数据序列

分配给套接字的 IP 地址与端口号

（一） IP 地址

定义

IP地址是分配给网络上每个设备的唯一标识符，用于在网络中定位和通信。

类型

• IPv4 （Internet Protocol version 4）：4字节地址族
• IPv6 （Internet Protocol version 6）：16字节地址族

IPv4 标准的4字节 IP 地址分为网络地址和主机地址，且分为 A、B、C、D、E 等类型：

网络地址是为了区分网络而设置的一部分 IP 地址。

假如要向 M 网络中的某个主机传输数据，并非一开始就浏览所有 IP 地址，进而找到目标主机；而是首先浏览网络地址，找到 M 网络，先把数据传输到 M 网络，M 网络接收到数据后，浏览传数据的主机地址并将数据传给目标计算机：

主机地址边界（IPv4）

• A类地址的首字节范围：00000000（0）到01111111（127）
• B类地址的首字节范围：10000000（128）到10111111（191）
• C类地址的首字节范围：11000000（192）到11011111（223）

（二）用于区分套接字的端口号

IP 用于区分计算机，只要有 IP 地址就能向目标主机传输数据，但仅凭这些无法传输给最终的应用程序，即仅凭 IP 地址无法区分传输到计算机的网络数据发给哪个应用程序。

计算机中一般配有 NIC (Network Interface Card，网络接口卡)数据传输设备。通过 NIC 向计算机内部传输数据时会用到 IP。操作系统负责把传递到内部的数据适当分配给套接字，此时就需要利用端口号（port）。通过 NIC 接收的数据内有端口号，操作系统正是参考此端口把数据传输给相应端口的套接字：

地址信息的表示

应用程序中使用的 IP 地址和端口号以结构体的形式给出了定义。

（一）表示 IPv4 地址的结构体

struct sockaddr_in
{
	sa_family_t		sin_family;		// 地址族（Address Family）
	uint16_t		sin_port;		// 16位 TCP/UDP 端口号
	struct in_addr	        sin_addr;		// 32位 IP 地址
	char			sin_zero[8];	        // 不使用
};

struct in_addr
{
	In_addr_t		s_addr;			// 32位 IPv4 地址
};

（二）结构体成员分析

• sin_family:

  • 类型 ：sa_family_t
  • 说明 ：表示地址族。对于 IPv4 地址，通常设置为 AF_INET。这告诉系统该结构体包含的是 IPv4 地址信息。

• sin_port:

  • 类型 ：uint16_t
  • 说明 ：表示16位的端口号。端口号用于区分同一台计算机上的不同服务。端口号的值是网络字节序（大端序），因此在赋值时需要使用 htons() 函数来转换主机字节序到网络字节序。

• sin_addr:

  • 类型 ：struct in_addr
  • 说明 ：表示32位的 IPv4 地址。struct in_addr 中的字段是 s_addr，它存储了 IP 地址的实际值，通常也是网络字节序。

• sin_zero:

  • 类型 ：char[8]
  • 说明 ：这是一个填充字段，大小为8字节。它用于确保 struct sockaddr_in 与 struct sockaddr 结构体对齐，保持结构体的大小一致。这个字段在实际使用中不需要设置或使用。

struct sockaddr_in serv_addr;

if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr))==-1) 
    error_handling("bind() error");

sockaddr_in 结构体变量的地址值将以如上方式传递给 bind 函数，可以看到第二个参数期望得到 sockaddr 结构体变量地址值，包括地址族、端口号、IP 地址等。sockaddr 结构体如下：

struct sockaddr
{
    sa_family_t sin_family;    //地址族
    char sa_data[14];          // 地址信息
};

此结构体成员 sa_data 保存的地址信息中需要包含 IP 地址和端口号，剩余部分应填充0。这对于包含地址信息来讲非常麻烦，所以有了新的结构体 sockaddr_in 。

网络字节序与地址变换

（一）字节序

不同 CPU 中，4字节整数型值1在内存空间中保存的方式是不同的。4字节整数型值1可用二进制表示如下：

00000000 00000000 00000000 00000001

有些 CPU 以这种顺序保存到内存，另外一些 CPU 则以倒序保存：

00000001 00000000 00000000 00000000

CPU 向内存保存数据的方式有两种，所以 CPU 解析数据的方式也分为两种：

• 大端序（Big Endian）：高位字节存放到低位地址。

在大端序中，整数 0x12345678 的高位字节（0x12）存储在最低地址，低位字节（0x78）存储在最高地址。

地址	值
0x00	0x12
0x01	0x34
0x02	0x56
0x03	0x78

• 小端序（Little Endian）：高位字节存放到高位地址。

在小端序中，整数 0x12345678 的高位字节（0x12）存储在最高地址，低位字节（0x78）存储在最低地址。

地址	值
0x00	0x78
0x01	0x56
0x02	0x34
0x03	0x12

（二）网络字节序

由于大端序和小端序的存在，字节序不同的计算机之间传输数据过程中可能会出现问题，所以，在通过网络传输数据时约定统一方式，这种约定称为网络字节序（Network Byte Order）------------统一为大端序。

（三）字节序转换

字节序转换函数：

unsigned short htons(unsigned short);

unsigned short ntohs(unsigned short);

unsigned long htonl(unsigned long);

unsigned long ntohl(unsigned long);

• htons 中的 h 代表主机（host）字节序。
• htons 中的 n 代表网络（network）字节序。
• s 指的是 short。
• l 指的是 long。

所以 htons 解释为 "把 short 型数据从主机字节序转化为网络字节序"。

网络地址的初始化与分配

（一）将字符串信息转换为网络字节序的整数型

对于 IP 地址的表示，较为熟悉的是点分十进制表示法（Dotted Decimal Notation）例如 201.211.214.36，而非整数型数据表示法。幸运的是，有函数会帮助我们将字符串形式的 IP 地址转换成32位整数型数据，这些函数在转换类型的同时进行网络字节序转换。

（1） inet_addr 函数

#include <arpa/inet.h>
// 成功时返回32位大端序整数型值，失败时返回 INAADDR_NONE
in_addr_t inet_addr(const char* string);

Linux 平台调用过程

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	char *addr1="127.212.124.78";

	// 错误的 IP 地址，验证函数的错误检测能力
	char *addr2="127.212.124.256";

	unsigned long conv_addr=inet_addr(addr1);
	if(conv_addr==INADDR_NONE)
		printf("Error occured! \n");
	else
		printf("Network ordered integer addr: %#lx \n", conv_addr);
	
	// 调用出现异常
	conv_addr=inet_addr(addr2);
	if(conv_addr==INADDR_NONE)
		printf("Error occureded \n");
	else
		printf("Network ordered integer addr: %#lx \n\n", conv_addr);
	return 0;
}

（2） inet_aton 函数

#include <arpa/inet.h> 
// 成功时返回1(true)，失败时返回0(false) 
int inet_aton(const char* string, struct in_addr* addr);

• string ：待转换的字符串地址值。
• addr ：转换结果的结构体变量的地址值。

Linux 平台调用过程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	char *addr="127.232.124.79";
	struct sockaddr_in addr_inet;
	
	if(!inet_aton(addr, &addr_inet.sin_addr))
		error_handling("Conversion error");
	else
		printf("Network ordered integer addr: %#x \n", addr_inet.sin_addr.s_addr);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

有一个与 inet_aton 函数正好相反的函数 inet_ntoa ，这个函数可以把网络字节序整数型 IP 地址转化为我们熟悉的字符串形式。

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in addr1, addr2;
	char *str_ptr;
	char str_arr[20];
   
	addr1.sin_addr.s_addr=htonl(0x1020304);
	addr2.sin_addr.s_addr=htonl(0x1010101);
	
	str_ptr=inet_ntoa(addr1.sin_addr);
	strcpy(str_arr, str_ptr);
	printf("Dotted-Decimal notation1: %s \n", str_ptr);
	
	inet_ntoa(addr2.sin_addr);
	printf("Dotted-Decimal notation2: %s \n", str_ptr);
	printf("Dotted-Decimal notation3: %s \n", str_arr);
	return 0;
}

/*
root@com:/home/swyoon/tcpip# gcc inet_ntoa.c -o ntoa
root@com:/home/swyoon/tcpip# ./ntoa
Dotted-Decimal notation1: 1.2.3.4 
Dotted-Decimal notation2: 1.1.1.1 
Dotted-Decimal notation3: 1.2.3.4 
*/

（3）inet_addr 和 inet_ntoa 函数在 Windows 平台的调用过程

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>
void ErrorHandling(char* message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	WSADATA	wsaData;
	if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)!=0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!"); 

	/* inet_addr 函数调用过程 */
	{
		char *addr="127.212.124.78";
		unsigned long conv_addr=inet_addr(addr);
		if(conv_addr==INADDR_NONE)
			printf("Error occured! \n");
		else
			printf("Network ordered integer addr: %#lx \n", conv_addr);
	}

	/* inet_ntoa 函数调用过程 */ 
	{
		struct sockaddr_in addr;
		char *strPtr;
		char strArr[20];
		
		addr.sin_addr.s_addr=htonl(0x1020304);
		strPtr=inet_ntoa(addr.sin_addr);
		strcpy(strArr, strPtr);
		printf("Dotted-Decimal notation3 %s \n", strArr);
	}

	WSACleanup();
	return 0;
}

void ErrorHandling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

（二）网络地址初始化

struct sockaddr_in addr;
char* serv_ip = "211.217.168.13";    // 声明IP地址字符串
char* serv_port= "9190";             // 声明端口号字符串
memset(&addr, 0, sizeof(addr));      // 初始化为0
addr.sin_family = AF_INET;           // 指定地址族
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serv_ip);    // 基于字符串的IP地址初始化
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));       // 基于字符串的端口号初始化

每次创建服务器端套接字都要输入 IP 地址会有些繁琐，可如下初始化地址信息：

struct sockaddr_in addr;
char* serv_port= "9190";             
memset(&addr, 0, sizeof(addr));     
addr.sin_family = AF_INET;           
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));       

INADDR_ANY 可自动获取服务器端的计算机 IP 地址。当你使用 INADDR_ANY 绑定套接字时，套接字将被绑定到计算机的所有网络接口。这意味着服务器会接收来自任何网络接口的流量。

问答

① 通过 IP 可以区分哪些对象？通过端口号可以区分哪些对象？

• IP 地址：用于唯一标识网络中的设备或网络接口，并可以区分不同的设备、子网和 ISP。

• 端口号：用于在单一设备上区分不同的应用程序、服务实例和协议类型。它确保数据包能够正确地传递到对应的服务。

② 什么是知名端口？其范围是多少？知名端口中具有代表性的 HTTP 和 FTP 端口号各是多少？

• 知名端口：是为特定协议和服务预定义的端口号，用于确保网络服务的标准化和一致性。

• 范围：0 到 1023。

• HTTP 端口号：80。

• FTP 端口号：21。

③ 怎样表示回送地址？其含义是什么？如果向回送地址传输数据将发生什么情况？

• 回送地址（Loopback Address） 是网络协议中用于测试和调试的一个特殊地址。它代表了本机自身，用于验证网络协议栈和网络接口的工作状况。

• IPv4 回送地址：

  • 表示 ：127.0.0.1，以及 127.0.0.0/8 地址段中的所有地址。
  • 含义 ：127.0.0.1 是回送地址的最常用形式。IPv4 的回送地址范围是 127.0.0.0 到 127.255.255.255，其中 127.0.0.1 是最常见的地址。

• IPv6 回送地址：

  • 表示 ：::1
  • 含义 ：::1 是 IPv6 中的回送地址。IPv6 的回送地址是 ::1，并且整个 ::/128 地址段中的所有地址都可以用作回送。

• 测试和调试：回送地址用于测试本地网络协议栈和应用程序，而无需实际的网络连接。通过向回送地址发送数据，可以检查网络协议栈是否正常工作，而不涉及外部网络。

• 本地通信：它允许网络服务和应用程序在同一台计算机上相互通信，而不需要通过物理网络接口。

• 向回送地址传输数据的结果

  • 当数据包发送到回送地址时，数据包不会被发送到外部网络。相反，数据包会被直接处理并返回给发送者。
  • 这意味着发送到回送地址的数据不会离开计算机，所有的数据包都在本地计算机上进行处理和响应。