Linux网络编程- 网络字节顺序

基本概念

网络字节顺序是一种规定的数据表示格式，被用于TCP/IP协议栈，特别是在网络传输数据时。它确保不同的计算机和架构之间可以无缝地通信。网络字节顺序是大端字节序（big-endian）。

字节序的背景

计算机存储多字节数据（例如32位整数、64位整数）时有两种主要方式：大端（big-endian）和小端（little-endian）。

• 大端字节序 (Big-Endian):

  • 高位字节存储在内存的低地址。
  • 例如，数字 0x12345678 在内存中表示为 12 34 56 78。

• 小端字节序 (Little-Endian):

  • 低位字节存储在内存的低地址。
  • 例如，数字 0x12345678 在内存中表示为 78 56 34 12。

不同的计算机架构可能使用不同的字节顺序，例如，x86架构使用小端字节序，而早期的Motorola芯片则使用大端字节序。

网络字节顺序的必要性

考虑到不同的计算机可能有不同的字节顺序，TCP/IP协议规定了一个统一的字节顺序来发送和接收数据，称为网络字节顺序。这样，不同的机器在交换数据时就知道如何解释收到的字节。

网络字节顺序是大端字节序。所以，不论系统使用哪种字节顺序，当数据被发送到网络时，它都被转换为大端字节序。接收数据时，数据被转换回主机的字节顺序。

工具函数

为了在网络字节顺序和主机字节顺序之间进行转换，提供了一系列的函数：

• htonl(): 主机到网络长整数转换
• htons(): 主机到网络短整数转换
• ntohl(): 网络到主机长整数转换
• ntohs(): 网络到主机短整数转换

在大端系统上，这些函数通常不做任何事情（因为主机字节顺序已经是大端），而在小端系统上，它们会反转字节顺序。

示例

如果在小端机器上有一个16位的整数 0x1234，并且想发送它到网络上，可以使用htons()函数。这会将数字转换为0x3412。另一台机器从网络上接收到这个数字后，可以使用ntohs()函数将它转换回其本地表示形式。

htonl、htons、ntohl、ntohs

这四个函数是用于在主机字节顺序和网络字节顺序之间进行转换的。这样不同的计算机架构可以在TCP/IP网络上无缝地通信。让我们详细地看一下每一个函数：

1. htonl(): 主机到网络长整数转换

   • 描述: 这个函数将一个无符号长整数（通常是32位）从主机字节顺序转换为网络字节顺序。
   • 参数: 一个无符号长整数（如uint32_t）。
   • 返回值: 参数值转换为网络字节顺序的整数。

2. htons(): 主机到网络短整数转换

   • 描述: 这个函数将一个无符号短整数（通常是16位）从主机字节顺序转换为网络字节顺序。
   • 参数: 一个无符号短整数（如uint16_t）。
   • 返回值: 参数值转换为网络字节顺序的整数。

3. ntohl(): 网络到主机长整数转换

   • 描述: 这个函数将一个无符号长整数（通常是32位）从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
   • 参数: 一个无符号长整数（如uint32_t）。
   • 返回值: 参数值转换为主机字节顺序的整数。

4. ntohs(): 网络到主机短整数转换

   • 描述: 这个函数将一个无符号短整数（通常是16位）从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
   • 参数: 一个无符号短整数（如uint16_t）。
   • 返回值: 参数值转换为主机字节顺序的整数。

使用场景

当您在网络上发送或接收数据时，使用这些函数非常重要，尤其是当您处理多字节字段（如IP地址、TCP/UDP端口）时。

例如，当您设置一个sockaddr_in结构的sin_port字段时，您需要使用htons()来确保端口号以网络字节顺序存储。类似地，当您从网络上接收数据并想查看其中的端口号或IP地址时，您需要使用相应的ntohs()或ntohl()函数。

注意

1. "长"和"短"的术语是相对的。在这里，"短"通常指的是16位整数，而"长"通常指的是32位整数。但请注意，这可能会根据平台和编译器实现而有所不同。
2. 在大端系统上，这些函数可能不执行任何实际操作，因为这些系统的主机字节顺序已经是网络字节顺序。但为了代码的可移植性和清晰性，仍然建议使用它们。

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示例：主机和网络字节顺序的转换

通过下面的例子，我们来演示如何使用htons()和ntohs()函数。

#include 
#include   // for htons, ntohs

int main() {
    unsigned short port_host_order = 8080;  // 0x1F90 in hexadecimal
    unsigned short port_network_order;

    // Convert port number from host byte order to network byte order
    port_network_order = htons(port_host_order);
    printf("Port in host byte order: 0x%X\n", port_host_order);
    printf("Port in network byte order: 0x%X\n", port_network_order);

    // Now, let's pretend we received this port number from the network
    // and we want to convert it back to host byte order
    unsigned short received_port_host_order = ntohs(port_network_order);
    printf("Received port converted back to host byte order: 0x%X\n", received_port_host_order);

    return 0;
}

这个程序首先定义了一个端口号8080（它在十六进制中是0x1F90）。它使用htons()函数将端口号从主机字节顺序转换为网络字节顺序，并打印出结果。

然后，该程序模拟从网络上接收到这个端口号的情况，并使用ntohs()函数将它从网络字节顺序转回主机字节顺序。最后，它打印出转换回来的值。

如果在一个小端系统（如大多数x86和x86-64系统）上运行此程序，你可能会看到以下输出：

Port in host byte order: 0x1F90
Port in network byte order: 0x901F
Received port converted back to host byte order: 0x1F90

注意htons和ntohs函数如何交换字节，从而在主机和网络字节顺序之间进行转换。

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通过下面的例子，我们来演示如何使用htonl()和ntohl()函数。

#include 
#include   // for htonl, ntohl

int main() {
    unsigned int ip_address_host_order = 0xC0A80001;  // Represents 192.168.0.1 in hexadecimal
    unsigned int ip_address_network_order;

    // Convert IP address from host byte order to network byte order
    ip_address_network_order = htonl(ip_address_host_order);
    printf("IP Address in host byte order: 0x%X\n", ip_address_host_order);
    printf("IP Address in network byte order: 0x%X\n", ip_address_network_order);

    // Now, let's pretend we received this IP address from the network
    // and we want to convert it back to host byte order
    unsigned int received_ip_host_order = ntohl(ip_address_network_order);
    printf("Received IP Address converted back to host byte order: 0x%X\n", received_ip_host_order);

    return 0;
}

这个程序首先定义了一个IP地址0xC0A80001（在十进制中表示为192.168.0.1）。它使用htonl()函数将IP地址从主机字节顺序转换为网络字节顺序，并打印出结果。

然后，该程序模拟从网络上接收到这个IP地址的情况，并使用ntohl()函数将它从网络字节顺序转回主机字节顺序。最后，它打印出转换回来的值。

如果在一个小端系统（如大多数x86和x86-64系统）上运行此程序，你可能会看到以下输出：

IP Address in host byte order: 0xC0A80001
IP Address in network byte order: 0x100A8C0
Received IP Address converted back to host byte order: 0xC0A80001

这显示了如何使用htonl和ntohl函数在主机和网络字节顺序之间转换32位整数值。