Linux网络编程- struct ifreq & ioctl() 系统调用

struct ifreq

struct ifreq 是一个数据结构，用于各种与接口相关的输入/输出控制 (ioctl) 调用。它的主要用途是在网络编程中获取和设置网络接口的属性。这个结构体在 头文件中定义。

以下是 struct ifreq 的一些主要字段和它们的用途：

1. ifr_name: 一个字符数组，表示接口的名称，如 “eth0”, “wlan0” 等。

2. ifr_addr: 一个 struct sockaddr 类型的结构，表示接口的地址。

3. ifr_netmask: 同样是一个 struct sockaddr 类型的结构，表示接口的网络掩码。

4. ifr_broadaddr: 表示接口的广播地址。

5. ifr_flags: 表示接口的标志，如 IFF_UP (接口正在运行)、IFF_BROADCAST (接口支持广播)、IFF_PROMISC (接口在混杂模式下)等。

6. ifr_hwaddr: 表示接口的硬件（通常是 MAC）地址。

7. ifr_mtu: 表示接口的最大传输单元 (MTU)。

还有其他一些字段，但上面列出的是最常用的。

当我们想查询或设置接口的特定属性时，会填充 struct ifreq 的适当字段，并使用 ioctl() 系统调用。例如，要设置接口为混杂模式，我们会填充 ifr_name 字段并设置 IFF_PROMISC 标志，然后调用 ioctl()。

例如：

struct ifreq ifr;
int sockfd;

// 创建一个套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 设置ifr_name为我们想查询或修改的接口名
strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);

// 获取接口标志
if (ioctl(sockfd, SIOCGIFFLAGS, &ifr) < 0) {
    perror("ioctl");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 打印是否处于混杂模式
if (ifr.ifr_flags & IFF_PROMISC) {
    printf("eth0 is in promiscuous mode\n");
} else {
    printf("eth0 is not in promiscuous mode\n");
}

close(sockfd);

这是一个简单的示例，演示了如何检查网络接口（在这种情况下是 “eth0”）是否处于混杂模式。

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ioctl() 系统调用

ioctl() 系统调用提供了一种通用的设备驱动程序或接口操作机制，可以用于各种设备特定的操作和控制。它通常用于那些不适合用常规系统调用（如 read(), write(), open() 等）表示的设备特定的操作。

函数原型：

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

参数：

1. fd: 是一个已经打开的文件或套接字的文件描述符。

2. request: 是设备特定的请求码。这个请求码定义了我们想要执行的特定操作或命令。

3. …: 这是一个可变参数，取决于特定的 request。它可能是一个指向数据的指针，也可能是一个直接的值。

返回值：

• ioctl() 的返回值取决于特定的操作。通常，成功返回非负值，失败返回 -1，并设置 errno。

用途：

1. 网络编程: ioctl() 经常用于查询和设置网络接口的参数。例如，获取或设置接口的 IP 地址，查询或设置接口的标志等。

2. 设备控制: 对于各种设备（如终端、声音卡、图形卡），ioctl() 可以用于执行特定的操作或查询信息。

3. 文件系统: 在某些情况下，ioctl() 也可用于文件系统操作。

一些例子：

1. 获取网络接口的标志:

   struct ifreq ifr;
   int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);
   ioctl(fd, SIOCGIFFLAGS, &ifr);
   

2. 设置非阻塞套接字:

   int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
   ioctl(fd, FIONBIO, &flags);
   

3. 查询音频设备属性:

   int volume;
   ioctl(fd, SOUND_MIXER_READ_VOLUME, &volume);
   

注意事项：

1. 不是所有的设备都支持所有的 ioctl 操作。要知道设备支持哪些操作，需要查阅特定设备的文档或头文件。

2. 错误处理：与其他系统调用一样，使用 ioctl() 时也应进行适当的错误处理。它可能会失败，并设置 errno，所以应该检查它的返回值并相应地处理错误。

3. 可移植性：ioctl() 是一个非常通用且强大的函数，但它经常与特定的设备或平台相关。这意味着在不同的操作系统或硬件平台上，可能需要不同的 ioctl 请求代码或参数。

总之，ioctl() 提供了一种与设备进行交互的方法，允许开发者执行不同的设备特定操作。然而，正确地使用它需要对特定设备的工作方式有深入的了解。

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示例

下面让我们用一个简单的例子来展示如何使用 ioctl() 来获取和设置网络接口（例如 eth0）的 IP 地址。

1. 获取 IP 地址

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    int sockfd;
    struct ifreq ifr;

    // 创建一个 socket
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 指定要查询的接口名
    strncpy(ifr.ifr_name, "enp5s0", IFNAMSIZ);

    // 获取接口的 IP 地址
    if (ioctl(sockfd, SIOCGIFADDR, &ifr) < 0) {
        perror("ioctl - SIOCGIFADDR ");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in *ipaddr = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
    printf("IP address of enp5s0: %s\n", inet_ntoa(ipaddr->sin_addr));

    close(sockfd);
    return 0;
}

程序运行结果为：

majn@tiger:~/C_Project/network_project$ ./ioctl_setip 
IP address of enp5s0: 192.168.31.6

2. 设置 IP 地址

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    int sockfd;
    struct ifreq ifr;
    struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;

    // 创建一个 socket
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 指定要设置的接口名
    strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);

    // 设置新的 IP 地址
    sin->sin_family = AF_INET;
    inet_aton("192.168.1.100", &sin->sin_addr);

    if (ioctl(sockfd, SIOCSIFADDR, &ifr) < 0) {
        perror("ioctl - SIOCSIFADDR ");
        exit(1);
    }

    printf("IP address of eth0 set to: %s\n", inet_ntoa(sin->sin_addr));

    close(sockfd);
    return 0;
}

注意: 设置 IP 地址通常需要 root 权限，所以运行上述代码时可能需要使用 sudo。

上述示例中，ioctl() 被用来查询或设置网络接口的 IP 地址。具体的操作由 SIOCGIFADDR（获取地址）和 SIOCSIFADDR（设置地址）指定。

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inet_aton()

inet_aton() 函数用于将点分十进制格式的字符串（如 “192.168.1.1”）转换为一个网络字节序的 IPv4 地址。它在 头文件中定义。

函数原型：

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

参数：

• cp: 指向点分十进制格式的 IPv4 地址字符串的指针。
• inp: 指向一个 struct in_addr 结构体的指针，该结构体用于存储转换后的地址。

返回值：

• 成功时返回 1，失败时返回 0。

与 inet_addr() 相比，inet_aton() 函数提供了更清晰的错误检查机制，因为它明确返回成功或失败的状态，而不是使用特殊的地址值来表示错误。

示例：

#include 
#include 

int main() {
    const char *ip_string = "192.168.1.1";
    struct in_addr ip_addr;

    if (inet_aton(ip_string, &ip_addr)) {
        printf("Conversion successful. Network byte order value: 0x%x\n", ip_addr.s_addr);
    } else {
        printf("Conversion failed.\n");
    }

    return 0;
}

上述程序的运行结果为：

majn@tiger:~/C_Project/network_project$ ./inet_aton_demo 
Conversion successful. Network byte order value: 0x101a8c0

在此示例中，我们将点分十进制的 IP 地址字符串 “192.168.1.1” 使用 inet_aton() 转换为 struct in_addr 格式，并输出转换的结果。

注意：inet_aton() 和 inet_ntoa() 是一对，一个用于将字符串转换为二进制格式，另一个用于进行相反的操作。如果您正在寻找一个线程安全的方法或需要处理 IPv6 地址，建议使用 inet_pton() 和 inet_ntop() 函数代替。

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inet_ntoa()

inet_ntoa() 是一个网络工具函数，用于将一个网络字节序的 IPv4 地址转换为点分十进制字符串格式。它在 头文件中定义。

函数原型：

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

参数：

• in: 是一个 struct in_addr 结构体，包含一个 IPv4 地址（在网络字节序中）。

返回值：

• 返回一个指向一个静态分配的字符串的指针，该字符串表示 IPv4 地址的点分十进制表示形式。因为返回的是一个静态字符串，所以之后的 inet_ntoa() 调用可能会覆盖之前的内容。

注意事项：

1. inet_ntoa() 返回一个指向静态存储区的指针，这意味着每次调用都会覆盖前一次的结果。如果需要保留转换的地址，应该自行复制返回的字符串。
2. 考虑到线程安全性，inet_ntoa() 在多线程环境中可能会导致问题。为了避免这种情况，可以考虑使用更现代、线程安全的函数，例如 inet_ntop()。

示例：

#include 
#include 

int main() {
    struct in_addr ip_addr;
    ip_addr.s_addr = htonl(0xC0A80101);  // 0xC0A80101 = 192.168.1.1 in hexadecimal

    char *ip_str = inet_ntoa(ip_addr);
    printf("IP address in dotted-decimal format: %s\n", ip_str);

    return 0;
}

在此示例中，我们创建了一个 struct in_addr 结构体，设置了 IP 地址（以网络字节序），然后使用 inet_ntoa() 将它转换为字符串。

上述程序的运行结果为：

majn@tiger:~/C_Project/network_project$ ./inet_ntoa_demo 
IP address in dotted-decimal format: 192.168.1.1