第三章 套接字编程简介

3.1 概述

本章先从套接字地址结构开始讲解套接字API，这些结构可以在两个方向上传递：从进程到内核和从内核到进程。

地址转换函数：inet_addr和inet_ntoa

              inet_ntop和inet_pton

3.2 套接字地址结构

3.2.1 IPv4套接字地址结构

图3.1是它的POSIX定义。定义在<netinet/in.h>头文件中。

struct in_addr{

 　　in_addr_t            s_addr;          /* 32-bit IPv4 address */

/* network byte ordered*/

}

 

struct sockaddr_in{

 　　uint8_t             sin_len;          /* length of structrure(16) */

 　　sa_family_t        sin_family;      /* AF_INET */

 　　in_port_t          sin_port;         /* 16-bit TCP or UDP port number */

/* network byte ordered*/

 　　struct in_addr    sin_addr;         /* 32-bit IPv4 address*/

/* network byte ordered*/

 　　char                sin_zero[8];     /* unused*/

};

图3.1 网际（IPv4）套接字地址结构：sockaddr_in

图3.2列出了POSIX定义的这些数据类型以及后面将会遇到的其他数据类型。

图3.2 POSIX规范要求的数据类型

3.2.2 通用套接字地址结构

  定义在<sys/socket.h>头文件中。结构如图3.3所示。

struct sockaddr {

  uint8_t             sa_len;

  sa_family_t        sa_family;       /* address family: AF_xxx value */

  char                sa_data[14];     /* protocol-specific address */

};

图3.3 通用套接字地址结构：sockaddr

  其他指向特定于协议的套接字地址结构的指针进行类型强制转换，变成指向某个通用套接字地址结构的指针，例如：

struct sockaddr_in  serv;      /* IPv4 socket address structure */

/* fill in serv{} */

bind(sockfd, (struct sockaddr *) &serv, sizeof(serv));

3.2.3 IPv6套接字地址结构

IPv6套接字地址结构在<netinet/in.h>中定义,如图3.4所示

struct in6_addr{

 　　uint8_t            s6_addr[16];            /* 128-bit IPv6 address*/

/* network byte ordered*/

};

#define SIN6_LEN 

struct sockaddr_in6{

 　 uint8_t             sin6_len;               /* length of this struct (28) */

 　 sa_family_t        sin6_family;            /* AF_INET6 */

 　 in_port_t           sin6_port;              /* transport layer port# */

/* network byte ordered */

　　uint32_t            sin6_flowinfo; /*flow information,undefined */

 　 struct in6_addr    sin6_addr;              /*IPv6 address */

  /* network byte ordered */

　　uint32_t            sin6_scope_id; /* set of inetfaces for a scope */

 };

图3.4 IPv6套接字地址结构：sockaddr_in6

3.2.4 新的通用套接字地址结构

不像struct sockaddr，新的struct sockaddr_storage足以容纳系统所支持的任何套接字地址结构，sockaddr_storage结构在<netinet/in.h>头文件中定义。

struct sockaddr_storage {

  uint8_t   ss_len;   /* length of this struct (implementation dependent) */

  sa_family_t  ss_family;    /* address family: AF_xxx value */

  /* implementation-dependent elements to provide:

   * a) alignment sufficient to fulfill the alignment requirements of

   *    all socket address types that the system supports.

   * b) enough storage to hold any type of socket address that the

   *    system supports.

   */

};

图3.5 存储套接字地址结构：sockaddr_storage

sockaddr_storage和sockaddr的主要差别

(1) sockaddr_storage通用套接字地址结构满足对齐要求。

(2) sockaddr_storage通用套接字地址结构足够大，能够容纳系统支持的任何套接字地址结构。

3.2.5 套接字地址结构的比较

图3.6 不同套接字地址结构的比较

3.3 值-结果参数

当往一个套接字函数传递一个套接字地址结构时，该结构总是以引用形式来传递，也就是传递的是指向该结构的一个指针。该结构的长度也作为一个参数来传递，不过其传递方式取决于该结构的传递方向：是从进程到内核，还是从内核到进程。

（1）进程-->内核：bind、connect和sendto。例如：

struct sockadd_in serv;

     

/* fill in serv() */

Connect(sockfd, (SA *)&serv, sizeof(serv));

 指针和指针所指内容的大小都传递给了内核，于是内核知道到底需从进程复制多少数据进来。图3-7展示了这个情形。

图3-7 从进程到内核传递套接字地址结构

（2）内核-->进程：accept、recvfrom、getsockname和getpeername。例如：

struct sockaddr_un cli; /* Unix domain */

socklen_t len;

len = sizeof(cli); /* len is a value */

getpeername(unixfd, (SA *)&cli, &len); 

/* len may have changed */

  通过比较进程到内核、内核到进程的例子，可以发现，传递的结构大小由一个整数改为指向某个整数变量的指针。

  其原因：当函数被调用时，结构大小是一个值，它告诉内核该结构的大小，这样内核在写该结构时不至于越界；当函数返回时，结构大小又是一个结果，它告诉内核在该结构中究竟存储了多少信息。图3-8展示了这个情形。

图3-8 从内核到进程传递套接字地址结构

当使用这种值-结果参数作为套接字地址结构的长度时，如果套接字地址结构时固定长度的，那么从内核返回的值总是那个固定长度,例如IPv4的sockaddr_in长度是16。然而对于可变长度的套接字地址结构（例如Unix域的sockaddr_un），返回值可能小于该结构的最大长度。

3.4 字节排序函数

  （1）小端字节序：低序字节存储在起始地址

  （2）大端字节序：高序字节存储在起始地址

  图3-9展示了这两种格式。

图3-9 16位整数的小端字节序和大端字节序

  （1）主机字节序：系统所使用的字节序，根据系统不用，可能为大端或小端

  （2）网络字节序：采用大端字节序

   其中主机字节序与网络字节序之间转换可以使用以下4个函数：

#include <netinet/in.h>

uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue) ;

uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue) ;

                            Both return: value in network byte order

uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue) ;

uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue) ;

                           Both return: value in host byte order

3.5 字节操纵函数

（1）以b（表示字节）开头的第一组函数

#include <strings.h>

void bzero(void *dest, size_t nbytes);

void bcopy(const void *src, void *dest, size_t nbytes);

int bcmp(const void *ptr1, const void *ptr2, size_t nbytes);

  Returns: 0 if equal, nonzero if unequal

（2）以mem（表示内存）开头的第二组函数

#include <string.h>

void *memset(void *dest, int c, size_t len);

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t nbytes);

int memcmp(const void *ptr1, const void *ptr2, size_t nbytes);

                       Returns: 0 if equal, <0 or >0 if unequal (see text)

注意项：

当原字节串与目标字节串重叠时，bcopy能够正确处理，但是memcpy的操作结果却不可知。

3.6 inet_aton、inet_addr和inet_ntoa函数

  该节与下一节分别介绍两组地址转换函数。本节介绍的三个函数是在点分十进制数串（例如“206.168.112.96”）与它长度为32为的网络字节序二进制值间转换IPv4地址。

#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char *strptr, struct in_addr *addrptr);

                             Returns: 1 if string was valid, 0 on error

in_addr_t inet_addr(const char *strptr);

Returns: 32-bit binary network byte ordered IPv4 address; INADDR_NONE if error

char *inet_ntoa(struct in_addr inaddr);

                                Returns: pointer to dotted-decimal string

注意项：

  （1）inet_addr与inet_aton进行相同的转换，返回值为32位的网络字节序二进制值。该函数存在一个问题：所有的2的32次方个可能的二进制值都是有效的IP地址（从0.0.0.0到255.255.255.255），但是当出错时该函数返回INADDR_NONE常值（通常是一个32位均为1的值）。这意味着点分十进制数串255.255.255.255不能由该函数来处理。

  （2）inet_ntoa返回值所指向的字符串驻留在静态内存中。这意味着该函数是不可重入的。

3.7 inet_pton和inet_ntop函数

  这两个地址转换函数对于IPv4和IPv6地址都适用。

#include <arpa/inet.h>

int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr);

Returns: 1 if OK, 0 if input not a valid presentation format, -1 on error

const char *inet_ntop(int family, const void *addrptr, char *strptr, size_t len);

Returns: pointer to result if OK, NULL on error

注意项：

  （1）如果以不被支持的地址族作为family参数，这两个函数都返回一个错误，并将errno置为EAFNOSUPPORT。

  （2）inet_ntop函数中的len如果太小，不足以容纳表达格式的结果（包括结尾的空字符），返回一个错误，并将errno置为ENOSPC。

   len长度大小在<netinet/in.h>头文件中有如下定义：

#define INET_ADDRSTRLEN 16 /* for IPv4 dotted-decimal */

#define INET6_ADDRSTRLEN 46  /* for IPv6 dotted-decimal */

  （3）inet_ntop函数的strptr参数不可以是一个空指针。