网络编程——分配给套接字的IP地址与端口号

参考

《TCP/IP网络编程》尹圣雨

分配给套接字的IP地址与端口号

IP是Internet Protocol（网络协议）的简写，是为收发网络数据而分配给计算机的值。端口号并非赋予计算机的值，而是为区分程序中创建的套接字而分配套接字的序号

网络地址（Internet Address）

IP地址分为两类：
（1）IPv4（Internet Protocol version 4）：4字节地址族
（2）IPv6（Internet Protocol version 6）：16字节地址族

现在还是主要使用IPv4，IPv6的普及将需要更长时间。

IPv4标准的4字节IP地址分为网络地址和主机（指计算机）地址，且分为A、B、C、D、E等类型。网络地址（网络ID）是为区分网络而设置的一部分IP地址。所以，“向相应网络传输数据”实际上是向构成网络的路由器（Router）或交换机（Switch）传递数据，由接收数据的路由器根据数据中的主机地址向目标主机传递数据

端口号

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，这时就要利用端口号。即，通过NIC接收的数据内由端口号，操作系统参考此端口号把数据传输给相应端口的套接字

无法将1个端口号分配给不同的套接字。另外，端口号由16位构成，可分配的端口号范围是0-65535。但0-1023是知名端口（Well-known PORT），一般分配给特定应用程序

虽然端口号不能重复，但TCP套接字和UDP套接字不会共用端口号，所以允许重复

地址信息的表示

表示IPv4地址的结构体

struct sockaddr_in
{sa_family_t sin_family;       // 地址族（Address Family）unit16_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
};

其中，in_addr定义如下

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

里面存在大量额外定义的数据类型。可以参考POSIX（Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口）。POSIX是为UNIX系列操作系统设立的标准

POSIX中定义的数据类型：
（1）sys/types.h头文件

int8_t：signed 8-bit int
uint8_t：unsigned 8-bit int (unsigned char)
int16_t：signed 16-bit int
uint16_t：unsigned 16-bit int (unsigned short)
int32_t：signed 32-bit int
uint32_t：unsigned 32-bit int (unsigned long)

（2）sys/socket.h

sa_family_t：地址族（address family）
socklen_t：长度（length of struct）

（3）netinet/in.h

in_addr_t：IP地址，声明为uint32_t
in_port_t：端口号，声明为uint16_t

之所以额外定义这些数据类型，是考虑到扩展性。例如，如果使用int32_t类型的数据，就能保证在任何时候都占用4字节，即使将来用64位表示int类型

结构体sockaddr_in的成员

（1）sin_family
每种协议族适用的地址族均不同。比如，IPv4使用4字节地址族，IPv6使用16字节地址族

AF_INET：IPv4网络协议中使用的地址族
AF_INET6：IPv6网络协议中使用的地址族
AF_LOCAL：本地通信中采用的UNIX协议的地址族

（2）sin_port
以网络字节序保存16位端口号

（3）sin_addr
以网络字节序保存32位IP地址信息。本质上为32位整型数

（4）sin_zero
无特殊含义。只是为使结构体sockaddr_in的大小与sockaddr结构体保持一致而插入的成员。必须填充为0

实际上，bind函数的第二个参数期望得到的是sockaddr结构体变量地址值。而sockaddr结构体的定义如下：

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

其中，sa_data保存的地址信息中需包含IP地址和端口号，剩余部分应填充0。而这对于包含地址信息来讲非常麻烦，继而有了新的结构体sockaddr_in，二者内存大小相同，只是sockaddr_in填写信息更方便

另外，由于sockaddr并非只为IPv4设计，因此，结构体要求在sin_family中指定地址族信息。为了与sockaddr一致，sockaddr_in结构体中也有地址族的信息，尽管sockaddr_in只用于保存IPv4地址信息

网络字节序与地址变换

字节序与网络字节序

CPU向内存保存数据的方式有2种，这意味着CPU解析数据的方式也有2种：

大端序（Big Endian）：高位字节存放到低位地址
小端序（Little Endian）：高位字节存放到高位地址

主机字节序（Host Byte Order）在不同CPU中也各不相同。目前主流的Intel系列CPU以小端序方式保存数据。2台字节序不同的计算机之间数据传递会出现问题，只有改变数据保存顺序才能被识别为同一值

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。即，先把数据数组转化成大端序格式再进行网络传输

字节序转换（Endian Conversion）

转换字节序的函数：

unsigned short htons(unsigned short);
unsigned short ntohs(unsigned short);
unsigned long htonl(unsigned long);
unsigned long ntohl(unsigned long);

其中，

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short；l指的是long（Linux中long类型占用4个字节）
通常htons和ntohs用于端口号转换；htonl和ntohl用于IP地址转换
即使在大端序系统中，最好也经过主机字节序转换为网络字节序的过程，便于代码扩展
除了向sockaddr_in结构体变量填充数据外，其他情况无需考虑字节序问题，都是自动的

网络地址的初始化与分配

将字符串信息转换为网络字节序的整数型

sockaddr_in中保存地址信息的成员为32位整数型，但对于IP地址的表示，我们熟悉的是点分十进制表示法（Dotted Decimal Notation），而非整数型数据表示法

（1）inet_addr()
使用inet_addr函数可以将字符串形式的IP地址转换成32位整数型数据

#include <arpa/inet.h>in_addr_t inet_addr(const char* string);

成功时返回32位大端序整数型值，失败时返回INADDR_NONE

（2）inet_aton()
inet_aton函数与inet_addr函数在功能上完全相同，也将字符串形式IP地址转换为32位网络字节序整数并返回。只不过该函数利用了in_addr结构体，且使用频率更高

#include <arpa/inet.h>int inet_aton(const char* string, struct in_addr * addr);

成功时返回1，失败时返回0。string：含有需转换的IP地址信息的字符串地址值；addr：将保存转换结果的in_addr结构体变量的地址值

（3）inet_ntoa()
与inet_aton函数正好相反，inet_ntoa可以把网络字节序整数型IP地址转换成我们熟悉的字符串形式

#include <arpa/inet.h>char* inet_ntoa(struct in_addr adr);

成功时返回转换的字符串地址值，失败时返回-1

该函数未向程序员要求分配内存，而是在内部申请了内存并保存了字符串。也就是说，调用完该函数后，应立即将字符串信息复制到其他内存空间；否则，再次调用该函数，会覆盖之前保存的字符串信息

网络地址初始化

常见的网络地址信息初始化方法如下：

struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));            // 结构体变量addr的所有成员初始化为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

让所有成员初始化为0，是为了将sin_zero初始化为0

客户端地址信息初始化

服务器端声明sockaddr_in结构体变量，将其初始化为赋予服务器端IP和套接字的端口号，然后调用bind函数；而客户端则声明sockaddr_in结构体，并初始化为要与之连接的服务器端套接字的IP和端口号，然后调用connect函数

INADDR_ANY

利用常数INADDR_ANY分配服务器端的IP地址：

addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

若采用这种方式，则可自动获取运行服务器端的计算机IP地址。而且，若同一计算机中已分配多个IP地址（多宿主（Multi-homed）计算机，路由器属于这一类），则只要端口号一致，就可以从不同IP地址接收数据。因此，服务器端中优先考虑这种方式；而客户端中除非带有一部分服务器端功能，否则不会采用

同一计算机中可以分配多个IP地址，实际IP地址的个数与计算机中安装的NIC的数量相等。即使是服务器端套接字，也需要决定应接收哪个IP传来的（哪个NIC传来的）数据。因此，服务器端套接字初始化过程中要求IP地址信息。若只有1个NIC，则直接使用INADDR_ANY

向套接字分配网络地址

bind函数负责把初始化的地址信息分配给套接字

#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen);

成功时返回0，失败时返回-1。sockfd：要分配地址信息（IP地址和端口号）的套接字文件描述符；myaddr：存有地址信息的结构体变量地址值；addrlen：第二个结构体变量的长度

基于Windows的实现

htons和htonl

与Linux平台下的使用无区别

inet_addr和inet_ntoa

Windows中不存在inet_aton，而inet_addr和inet_ntoa的使用于Linux下一样。但inet_addr会出现不能使用的情况，可以用inet_pton，需要包含头文件<Ws2tcpip.h>

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <WinSock2.h>
#include <Ws2tcpip.h>
void ErrorHandling(char* message);int main(int argc, char* argv[])
{WSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0){ErrorHandling("WSAStartup() error!");}{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);// }unsigned long conv_addr;if ((inet_pton(AF_INET, addr, &conv_addr)) == 0){printf("Error occured! \n");}else{printf("Network ordered integer addr: %#lx \n", conv_addr);}}{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);
}

WSAStringToAddress和WSAAddressToString

这是WinSock2中增加的2个转换函数，在功能上与inet_addr和inet_ntoa完全相同，但优点在于支持多种协议，在IPv4和IPv6中均可适用。但这两个函数依赖于特定平台，会降低兼容性

（1）WSAStringToAddress

#include <WinSock2.h>INT WSAStringToAddress(LPTSTR AddressString, INT AddressFamily, LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,LPSOCKADDR lpAddress, LPINT lpAddressLength
);

成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。AddressString：含有IP和端口号的字符串地址值；AddressFamily：第一个参数中地址所属的地址族信息；lpProtocolInfo：设置协议提供这（Provider），默认为NULL；lpAddress：保存地址信息的结构体变量地址值；lpAddressLength：第四个参数中传递的结构体长度所在的变量地址值。新出现的各种类型都是针对默认数据类型的typedef声明

（2）WSAAddressToString
它将结构体中的地址信息转换成字符串形式

#include <WinSock2.h>INT WSAAddressToString(LPSOCKADDR lpsaAddress, DWORD dwAddressLength,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo, LPSTR lpszAddressString,LPDWORD lpdwAddressStringLength
);

成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。lpsaAddress：需要转换的地址信息结构体变量地址值；dwAddressLength：第一个参数中结构体的长度；lpProtocolInfo：设置协议提供者（Provider），默认为NULL；lpszAddressString：保存转换结果的字符串的地址值；lpdwAddressStringLength：第四个参数中存有地址信息的字符串长度

示例：

#undef UNICODE
#undef _UNICODE
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>int main(int argc, char* argv[])
{char* strAddr = "203.211.218.102:9190";char strAddrBuf[50];SOCKADDR_IN servAddr;int size;WSADATA wsaData;WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);size = sizeof(servAddr);WSAStringToAddress(strAddr, AF_INET, NULL, (SOCKADDR*)&servAddr, &size);size = sizeof(strAddrBuf);WSAAddressToString((SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr), NULL, strAddrBuf, &size);printf("Second conv result: %s \n", strAddrBuf);WSACleanup();return 0;
}