Linux 之 【网络套接字编程】（网络字节序、字节序转换函数、套接字编程类型、标准套接字编程的头文件、sockaddr结构、整数IP与字符串IP的转换）

目录

一、网络字节序

定义

字节序转换函数

概览

命名规律

htons

htonl

ntohl

ntohs

二、套接字编程的类型

域间套接字：同一机器内的进程间通信

原始套接字：直接操作网络层及以下的数据包

网络套接字：跨网络的用户间通信

三、标准套接字编程的头文件

四、sockaddr结构

核心设计思想：通用接口与具体实现

[通用地址结构：struct sockaddr](#通用地址结构：struct sockaddr)

[IPv4 专用地址结构：struct sockaddr_in](#IPv4 专用地址结构：struct sockaddr_in)

bzero

[IPv4 地址封装：struct in_addr](#IPv4 地址封装：struct in_addr)

整数IP<--->字符串IP

inet_addr

inet_pton

inet_ntoa

inet_ntop

结构体关系与强制转换示例

---

一、网络字节序

定义

TCP/IP协议强制规定，网络上传输的数据流必须使用大端字节序（低地址存放高位字节）

通俗理解：像我们写数字一样，左边（低地址）是高位，右边（高地址）是低位。例如 0x12345678，先发 0x12，最后发 0x78。

• 统一原因

互联网由不同架构的机器组成（x86是小端，PowerPC/某些网络设备是大端）

网络传输严格遵循从低地址到高地址的顺序发送和接收 ：发送端将数据在内存中从低地址字节开始依次发出，接收端按收到顺序依次存入本地的低地址到高地址。这意味着网络上的字节流顺序完全取决于发送端的内存布局------小端机发送时先发低位字节，大端机先发高位字节 。接收端则原样按序存入内存，最终解释出的数值由本机字节序决定 。这就是为什么直接发送会导致跨平台错误，而使用htons/ntohs统一转换为网络字节序（大端）发送，能保证无论发送端是什么机器，网络上的字节流都是"高位在前"的标准顺序，接收端再根据自身字节序正确还原

机器类型	内存表示 (低→高)	发送顺序	网络字节流	大端机接收解释	小端机接收解释
小端机发	78 56 34 12	78→56→34→12	78 56 34 12	0x78563412 ❌	0x12345678 ✅
大端机发	12 34 56 78	12→34→56→78	12 34 56 78	0x12345678 ✅	0x78563412 ❌

• 发送端（编码）

通过将数据从主机字节序转换为网络字节序，保证线上的数据流符合 TCP/IP 标准

如果是大端机：不需要转（或者说转了也不变）

如果是小端机：必须翻转字节顺序

• 接收端（解码）

通过将数据从网络字节序转换回主机字节序，保证本地CPU能够读取到正确的数据

如果是大端机：不需要转

如果是小端机：必须翻转字节顺序

字节序转换函数

概览

函数名	全称	功能	应用场景
htonl	Host to Network Long	主机序 → 网络序 (32位)	发送IP地址前转换
htons	Host to Network Short	主机序 → 网络序 (16位)	发送端口号前转换
ntohl	Network to Host Long	网络序 → 主机序 (32位)	收到IP地址后转换
ntohs	Network to Host Short	网络序 → 主机序 (16位)	收到端口号后转换

如果主机是大端：函数直接返回原值（空操作，效率高）

如果主机是小端：函数进行字节翻转（Bit Flip）后返回

命名规律

h = Host（主机字节序）

n = Network（网络字节序）

l = Long（32位整数，如IP地址）

s = Short（16位整数，如端口号）

to = 转换方向

htons

项目	说明
函数名	htons
全称	Host to Network Short
原型	uint16_t htons(uint16_t hostshort);
参数	hostshort：待转换的16位主机字节序整数
返回值	转换后的16位网络字节序整数
头文件	<arpa/inet.h>
功能	将16位整数从主机字节序转换为网络字节序
应用场景	发送端口号前转换

htonl

项目	说明
函数名	htonl
全称	Host to Network Long
原型	uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
参数	hostlong：待转换的32位主机字节序整数
返回值	转换后的32位网络字节序整数
头文件	<arpa/inet.h>
功能	将32位整数从主机字节序转换为网络字节序
应用场景	发送IP地址前转换

ntohl

项目	说明
函数名	ntohl
全称	Network to Host Long
原型	uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
参数	netlong：待转换的32位网络字节序整数
返回值	转换后的32位主机字节序整数
头文件	<arpa/inet.h>
功能	将32位整数从网络字节序转换回主机字节序
应用场景	接收到IP地址后解析

ntohs

项目	说明
函数名	ntohs
全称	Network to Host Short
原型	uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
参数	netshort：待转换的16位网络字节序整数
返回值	转换后的16位主机字节序整数
头文件	<arpa/inet.h>
功能	将16位整数从网络字节序转换回主机字节序
应用场景	接收到端口号后解析

二、套接字编程的类型

域间套接字：同一机器内的进程间通信

项目	说明
名称	Unix Domain Socket (UDS) / 本地套接字
通信范围	同一台主机内部
地址形式	文件路径（如 /tmp/test.sock）
核心优势	高效：不经过网络协议栈，不进行报文封装和校验，直接在内核层面拷贝数据，比TCP本地环回（127.0.0.1）更快
典型场景	Nginx与FastCGI通信、MySQL本地连接、Docker守护进程与客户端通信
编程特点	用法与网络套接字类似，但地址族使用 AF_UNIX 或 AF_LOCAL

原始套接字：直接操作网络层及以下的数据包

项目	说明
名称	Raw Socket
通信范围	跨网络（但工作在更底层）
核心能力	允许程序员自己构造IP头部、ICMP头部等，绕过TCP/UDP协议栈
典型场景	Ping工具（构造ICMP包）、Traceroute、Wireshark等抓包工具、网络攻击与防御工具
编程特点	需要root权限，地址族使用 AF_PACKET（Linux）或 AF_INET 配合 SOCK_RAW，需要自己处理协议细节
注意事项	不经过传输层，所以没有TCP的可靠性和端口概念

网络套接字：跨网络的用户间通信

项目	说明
名称	Network Socket / Internet Socket
通信范围	不同主机之间（局域网或互联网）
地址形式	IP地址 + 端口号
核心协议	TCP (SOCK_STREAM) 和 UDP (SOCK_DGRAM)
典型场景	浏览器访问网站、微信聊天、远程登录SSH、视频直播
编程特点	地址族使用 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6），最常用的套接字类型

三、标准套接字编程的头文件

// 标准套接字编程包含
#include <sys/socket.h>   // socket(), bind(), connect() 等
#include <netinet/in.h>   // sockaddr_in, sockaddr_in6 结构体
#include <arpa/inet.h>    // inet_pton(), inet_ntop() 等地址转换函数
#include <string.h>       // memset()
#include <unistd.h>        // close()

头文件	作用	关键函数/结构体
<sys/socket.h>	提供套接字基础API	socket(), bind(), connect(), listen(), accept(), send(), recv()
<netinet/in.h>	定义IPv4/IPv6地址结构	struct sockaddr_in (IPv4), struct sockaddr_in6 (IPv6)
<arpa/inet.h>	地址转换函数（字符串↔二进制）	inet_pton() (字符串→二进制), inet_ntop() (二进制→字符串)
<string.h>	内存操作（如初始化结构体）	memset(), memcpy()
<unistd.h>	系统调用（如关闭套接字）	close()

四、sockaddr****结构

核心设计思想：通用接口与具体实现

Socket API 的设计者面临一个问题：如何用一套统一的函数处理不同协议的地址

• IPv4 地址是 4 字节 + 2 字节端口
• IPv6 地址是 16 字节 + 2 字节端口
• Unix Domain Socket 是文件路径字符串

解决方案 ：使用强制类型转换和地址族字段

1. 定义一个通用的基类结构体 struct sockaddr
2. 定义具体的派生类结构体 struct sockaddr_in (IPv4)、struct sockaddr_in6 (IPv6)
3. 所有 API 函数都接受 struct sockaddr * 类型的指针
4. 程序员在使用时，将具体的结构体指针强制转换为通用指针传给 API
5. API 内部通过检查第一个字段 sa_family 来判断实际传入的是哪种结构体，并解析数据

通用地址结构：struct sockaddr

这是所有 socket 地址结构的**"基类"**，主要用于函数参数的类型统一

成员	类型	说明
sa_family	sa_family_t	地址族 （关键字段！）。标识协议类型： - AF_INET (IPv4) - AF_INET6 (IPv6) - AF_UNIX / AF_LOCAL (Unix Domain Socket)
sa_data	char[14]	地址数据 。存放具体的地址信息（如IP、端口、路径等）。 注意 ：程序不应直接访问 此数组，需通过具体结构体解析。

作用 ：提供统一的指针类型 struct sockaddr *，使 bind()、connect() 等函数能接受任何协议的地址

IPv4 专用地址结构：struct sockaddr_in

这是 IPv4 的**"派生类"** ，包含具体的 IPv4 地址信息。定义在头文件 <netinet/in.h> 中

成员	类型	说明
sin_family	sa_family_t	必须设为 AF_INET 。对应基类的 sa_family。
sin_port	uint16_t	16位端口号 。必须使用网络字节序 （大端序）！ 需用 htons() 函数转换。
sin_addr	struct in_addr	32位 IPv4 地址 。必须使用网络字节序 ！ 需用 htonl() 或 inet_addr() 转换。
sin_zero	char[8]	填充字段 。为了保持与 struct sockaddr 大小一致而存在。 必须用 memset 或 bzero 清零，无实际意义。

关键点：

• 在代码中我们操作的是 sockaddr_in。
• 传给 API 时强制转换为 (struct sockaddr *)&addr。
• 字节序：sin_port 和 sin_addr 必须是网络字节序（大端序）
• 必须清零

对 struct sockaddr_in 清零的核心原因在于：该结构体中的 sin_zero[8] 是内核强制要求的填充字段，必须全为0 ；由于结构体是分配在栈上的局部变量，其内存内容为随机的垃圾数据，若不通过 memset 或初始化显式清零，这些残留数据（尤其是 sin_zero 中的随机值）会被内核读取，导致 bind() 等系统调用不可预期地失败，同时也带来非确定性行为、调试困难和潜在的安全隐患

bzero

项目	说明
函数名	bzero
全称	Byte Zero（将字节区域清零）
头文件	<strings.h> （注意：不是 <string.h>）
原型	void bzero(void *s, size_t n);
参数1	s：指向要清零的内存区域的指针
参数2	n：要清零的字节数
返回值	无返回值（void）
功能	将指定内存区域的前 n 个字节设置为 0
起源	BSD 系统引入的函数，起源于早期 Unix
标准状态	废弃函数（在 POSIX.1-2001 中标记为过时，POSIX.1-2008 中已移除）

与 memset 的对比

对比维度	bzero	memset
原型	void bzero(void *s, size_t n);	void *memset(void *s, int c, size_t n);
功能	将内存区域清零	将内存区域设置为指定值
参数2	只填 0（固定）	可填任意字节（如 0、'\0' 等）
返回值	无	返回指向 s 的指针
头文件	<strings.h>	<string.h>
标准	废弃（legacy）	ANSI C / ISO C 标准
可移植性	差（非标准）	好（所有平台支持）

IPv4 地址封装：struct in_addr

专门用于表示 32 位 IPv4 地址的结构体

| 结构体 | 作用 | 关键字段 | 字节序要求 |
| struct sockaddr | 通用基类（API接口用） | sa_family | 无 |
| struct sockaddr_in | IPv4 专用结构 | sin_family, sin_port, sin_addr | 端口和IP必须网络字节序 |

struct in_addr	封装 IPv4 地址	s_addr (32位整数)	必须网络字节序

类型	变量	说明
struct in_addr	sin_addr	封装 IPv4 地址
uint32_t	s_addr（sin_addr的成员）	32位 IPv4 地址 （网络字节序）。 注意 ：不能直接赋值为 192.168.1.1 这样的十进制数，必须使用 htonl() 或 inet_addr()。

IP地址设计为结构体的原因：

原因	说明
历史兼容性	早期的 Unix 实现中，IP 地址可能有多种表达方式，结构体便于扩展
抽象与封装	隐藏底层数据类型，允许未来修改实现而不影响上层代码
语义清晰	明确表示这是一个 IP 地址，而不是一个普通的 32 位整数
支持多种地址族	为后续支持 IPv6 等不同长度的地址奠定基础
操作便利性	可以方便地定义针对 IP 地址的操作函数

整数IP<--->字符串IP

整数IP与字符串IP转换的核心思想是利用IP地址的32位二进制与点分十进制的一一对应关系 。转换时有两种方法：一是通过位运算 直接操作整数的各字节（整数→字符串：右移提取各字节；字符串→整数：左移拼接各字节），容易实现；二是利用内存映射定义四字段结构体 ，通过指针强转直接访问各字节，较难实现

实际开发中应优先使用标准库函数inet_pton/inet_ntop

// 网络字节序整数 -> 点分十进制字符串
std::string ip_to_str(uint32_t net_ip) noexcept {
    uint8_t bytes[4] = {
        static_cast<uint8_t>(net_ip >> 24),
        static_cast<uint8_t>(net_ip >> 16),
        static_cast<uint8_t>(net_ip >> 8),
        static_cast<uint8_t>(net_ip)
    };
    
    char buffer[16] = {0};
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%hhu.%hhu.%hhu.%hhu",
             bytes[0], bytes[1], bytes[2], bytes[3]);
    return buffer;
}

// 点分十进制字符串 -> 网络字节序整数
// 返回 bool 表示成功/失败，结果通过参数返回
bool str_to_ip(const std::string& ip, uint32_t& result) noexcept {
    unsigned int a, b, c, d;  // 用unsigned避免溢出
    int pos = 0;
    
    // 使用 %n 检查完全匹配
    if (sscanf(ip.c_str(), "%u.%u.%u.%u%n", 
               &a, &b, &c, &d, &pos) == 4 && 
        pos == static_cast<int>(ip.length()) &&
        (a | b | c | d) <= 0xFF) {  // 快速范围检查
        result = (a << 24) | (b << 16) | (c << 8) | d;
        return true;
    }
    return false;
}

inet_addr

项目	说明
函数名	inet_addr
全称	Internet Address (IPv4)
头文件	<arpa/inet.h> (Linux/Unix) <winsock2.h> (Windows)
原型	in_addr_t inet_addr(const char *cp);
参数	cp：点分十进制格式的 IPv4 地址字符串（如 "192.168.1.100"）
返回值	成功：返回 32位IPv4地址 （网络字节序） 失败：返回 INADDR_NONE (通常是 0xFFFFFFFF，即 -1 或 255.255.255.255)
功能	将点分十进制字符串转换为 32位网络字节序的二进制值
适用场景	在 sockaddr_in 结构体中填充 sin_addr.s_addr 字段

inet_pton

项目	说明
函数名	inet_pton
全称	Internet Presentation to Network (地址呈现格式转网络格式)
头文件	<arpa/inet.h> (Linux/Unix) <ws2tcpip.h> (Windows)
原型	int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
参数1	af：地址族，AF_INET (IPv4) 或 AF_INET6 (IPv6)
参数2	src：点分十进制 (IPv4) 或十六进制 (IPv6) 格式的地址字符串
参数3	dst：指向存储二进制结果的指针（struct in_addr * 或 struct in6_addr *）
返回值	1 ：成功 0 ：输入的字符串不是有效的IP地址格式 -1：地址族不支持或发生错误（并设置 errno）
功能	将人可读的IP地址字符串转换为网络字节序的二进制格式
适用场景	现代网络编程中替代 inet_addr 和 inet_aton，填充 sin_addr 或 sin6_addr 结构

inet_ntoa

项目	说明
函数名	inet_ntoa
全称	Internet Network to Address（网络格式转地址字符串）
头文件	<arpa/inet.h> (Linux/Unix) <winsock2.h> (Windows)
原型	char *inet_ntoa(struct in_addr in);
参数	in：struct in_addr 结构体，包含网络字节序的32位IPv4地址
返回值	返回指向点分十进制字符串的指针（如 "192.168.1.100"）
功能	将网络字节序的二进制IP地址转换为点分十进制字符串
适用场景	打印IP地址、日志记录、调试输出
线程安全	非线程安全（使用静态缓冲区）

inet_ntop

项目	说明
函数名	inet_ntop
全称	Internet Network to Presentation（网络格式转呈现格式）
头文件	<arpa/inet.h> (Linux/Unix) <ws2tcpip.h> (Windows)
原型	const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
参数1	af：地址族，AF_INET (IPv4) 或 AF_INET6 (IPv6)
参数2	src：指向二进制IP地址的指针（struct in_addr * 或 struct in6_addr *）
参数3	dst：调用者提供的缓冲区，用于存储转换后的字符串
参数4	size：缓冲区大小（字节数）
返回值	成功：返回 dst 指针 失败：返回 NULL，并设置 errno
功能	将网络字节序的二进制IP地址转换为人可读的字符串格式（点分十进制或十六进制）
适用场景	打印IP地址、日志记录、调试输出、响应构造
线程安全	线程安全（调用者提供缓冲区）

结构体关系与强制转换示例

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

// 1. 定义并初始化 IPv4 具体结构体
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清零，包括 sin_zero

server_addr.sin_family = AF_INET;             // 地址族：IPv4
server_addr.sin_port = htons(8080);           // 端口号：8080 (主机序转网络序)
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100"); // IP地址 (字符串转网络序)
// 或者: server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(0xC0A80164);

// 2. 调用 bind 时，强制转换为通用指针
// 注意第三个参数是具体结构体的大小
int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));