《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 3：地址族与数据序列

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 3：地址族与数据序列

分配给套接字的IP地址和端口号

IP是为收发网络数据而分配给计算机的值。端口号是为区分程序中创建的套接字而分配给套接字的序号。

网络地址

IP地址有两种表达形式：

• IPv4：4字节地址族
• IPv6：16字节地址族

一定要记住IPv4和IPv6不只是在地址长度不同，在其具体的协议实现上是有很大程度的不同的。IPv6出现的主要目的是为了解决由于计算机数量的暴增导致IP地址可能出现不足的问题的，现在IPv6的地址范围可以让地球上任何一个沙子都拥有IP地址。

让我们继续说回到IPv4上，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。

网络地址是用来标识一个特定网络的。它告诉路由器和其他网络设备，数据应该被发送到哪个网络。

主机地址是用来标识网络中具体设备的。它必须在网络中是唯一的，以确保数据能够被正确地发送到正确的设备。

现在我来举个例子来具体理解一下网络地址和主机地址的含义。
假设向WWW.SEMI.COM公司传输数据，该公司内部构建了局域网，把所有计算机连接起来。因此，首先应向SEMI.COM网络传输数据，也就是说，并非一开始就浏览所有4字节IP地址，进而找到目标主机；而是仅浏览4字节IP地址的网络地址，先把数据传到SEMI.COM的网络。SEMI.COM网络（构成网络的路由器）接收到数据后，浏览传输数据的主机地址（主机ID）并将数据传给目标计算机。

网络地址分类和主机地址边界

只需通过地址的第一个字节即可判断网络地址占用的字节数，因为我们根据地址的边界区分网络地址，如下所示：

• A类地址的首字节范围:0~127
• B类地址的首字节范围:128-191
• C类地址的首字节范围:192~223

还有如下这种表述方式：

• A类地址的首位以0开始
• B类地址的前2位以10开始
• C类地址的前3位以110开始

正因如此，通过套接字收发数据时，数据传到网络后即可轻松找到正确的主机。

用于区分套接字的端口号

端口号是计算机为了区分程序中创建的不同套接字，而分配给套接字的序号，由16位组成，端口号唯一，可配分的范围在0~ 65535，其中0~10223是知名端口，一般分配给特定应用程序，所以应当分配范围之外的值。

端口号与套接字是一一对应关系，端口号与程序的不同通信功能是一一对应关系。

TCP套接字和UDP套接字不会共用端口号，所以允许重复。

数据传输过程示例

下面是基于IP地址的数据传输过程图：

主要步骤：

1. 主机向203.211.217.202和203.211.172.103传输数据。
2. 其中203.211.217和203.211.172是网络ID，通过网络ID可以把数据传输到指定的网络（路由器或交换机）。
3. 202和103是主机ID，网络（路由器或交换机）通过主机ID将数据传输到指定的设备上。
4. 操作系统收到数据后，根据数据包里的端口号，将数据传输到对应的程序上。

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。

表示IPv4地址的结构体

此结构体将作为地址信息传递给bind函数。

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

该结构体中提到的另一个结构体 in_addr 定义如下，它用来存放32位IP地址。

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

这些数据类型可以参考 POSIX，它是为 UNIX 系列操作系统设立的标准，它定义了一些其他数据类型，如下表所示：

看到这么长的类型表，有人不禁会问，为什么要搞出这么长的类型名呢？

其中一个很大的原因就是移植性的问题，如果适用于一个32位计算机的代码搬到64位的计算机上运行可定会出现由于位数不同导致的int被解释为不同的字节大小，这种问题是万万不可发生的。因此如果使用int32_t类型的数据，就能保证任何时候都占用4字节，即使转到不同字节的计算机上。

结构体sockaddr_in的成员分析

成员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_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

AF_LOCAL是为了说明具有多种地址族而添加的。

成员sin_port

该成员保存16位端口号，重点在于，它以网络字节序保存。

成员sin_addr

该成员保存32位地址信息，且也以网络字节序保存。为理解好该成员，应同时观察结构体in_addr。但结构体in_addr明为uint32_t，因此只需当作32位整数型即可。

成员sin_zero

无特殊含义。只是为使结构体sockaddr_in的大小和sockaddr结构体保持一致而插入的成员。必需填充为0，否则无法得到想要的结果。后面会另外讲解sockaddr。

从之前介绍的代码也可看出，sockaddr_in结构体变量地址值将以如下方式传递给bind函数。稍后将给出关于bind函数的详细说明，希望各位重点关注参数传递和类型转换部分的代码。

struct sockaddr_in serv_addr;

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

此处重要的是第二个参数的传递。实际上，bind函数的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。

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

这个结构体结构相对于sockaddr_in来说，它将后三个成员都放入sa_data之中。而这对于包含地址信息非常麻烦，继而有了新的结构体sockaddr_in。但是最后还是要转换为sockaddr型的结构体变量，再传递给bind函数即可。

网络字节序与地址变换

字节序与网络字节序

CPU内存保存数据有两种方式：

• 大端序： 高位字节存放到低位地址
• 小端序： 高位字节存放到高位地址

示例：

0x1234567中，0x12是最高位字节，0x67是最低位字节，大端序中先保存最高位。

0x1234567中，0x12是最高位字节，0x67是最低位字节，小端序中先保存最低位。

0x12和0x34构成的大端序系统值与0x34和0x12构成的小端序系统值相同。换言之，只有改变数据保存顺序才能被识别为同一值。

如果大端序系统传输数据0x1234时未考虑字节序问题，而直接以0x12、0x34的顺序发送。结果接收端以小端序方式保存数据，因此小端序接收的数据变成0x3412，而非0x1234，就会出现问题。

正因如此，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统一节序（Network Byte Order），非常简单——统一为大端序。因此，所有计算机接受数据时应识别该数据时网络字节格式，小端序系统传输数据时应转换为大端序的排列方式。

字节序转换

为了统一标准，在网络传输前，得先把主机数据数组转化为大端序的网络字节序格式，下面是四种转换字节序的函数：

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

s指short，l指long，h指主机（host）字节序，n指网络（network）字节序。

因此，htons指，把short类型数据从主机字节序转换为网络字节序；ntohl指，把long类型数据从网络字节序转换为主机字节序。

示例程序：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned short host_port = 0x1234;
    unsigned short net_port;
    unsigned long host_addr = 0x12345678;
    unsigned long net_addr;

    net_port = htons(host_port);
    net_addr = htonl(host_addr);

    printf("Host ordered port: %#x \n", host_port);
    printf("Network ordered port: %#x \n", net_port);
    printf("Host ordered address: %#lx \n", host_addr);
    printf("Network ordered address: %#lx \n", net_addr);
    
    return 0;
}