正文
网络IPC：套接字之寻址
小程序：扫一扫查出行【扫一扫了解最新限行尾号】
复制小程序
在学习用套接字做一些有意义的事情之前，需要知道如何确定一个目标通信进程。
进程的标识有两个部分： 计算机的网络地址 可以帮助标识网络上想与之通信的计算机，而 服务 可以帮助标识计算机上特定的进程。
１、字节序
运行在同一台计算机上的进程相互通信时，一般不用考虑字节的顺序（字节序），字节序是一个处理器架构特性，用于指示像整数这样的大数据类型的内部字节顺序。图16-1显示一个32位整数内部的字节是如何排序的。
图16-1 32位整数内部的字节序
如果处理器架构支持大端（big-endian）字节序，那么最大字节地址对应于数字最低有效字节（LSB）；小端（little-endian）字节序则相反：数字最低字节对应于最小字节地址。 注意，不管字节如何排序，数字最高位总是在左边，最低位总是在右边。
网络协议指定了字节序 ，因此异构计算机系统能够交换协议信息而不会混淆字节序。 TCP/IP协议栈采用大端字节序 。应用程序交换格式化数据时，字节序问题就会出现。对于TCP/IP，地址用网络字节序表示，所以应用程序有时需要在处理器的字节序与网络字节序之间的转换。
对于TCP/IP应用程序，提供了四个通用函数以实施在 处理器字节序和网络字节序之间的转换 。
#include <arpa/inet.h> uint32_t htonl(uint32_t hostint32);
返回值：以网络字节序表示的32位整型数 uint16_t htons(uint16_t hostint16);
返回值：以网络字节序表示的16位整型数 uint32_t ntohl(uint32_t netint32);
返回值：以主机字节序表示的32位整型数 uint16_t ntohs(uint16_t netint16);
返回值：以主机字节序表示的16位整型数
h表示“主机（host）”字节序，
n表示“网络（network）”字节序。
l表示“长（long）”整数（即4个字节），
s表示“短（short）”整数（即2个字节）。
这四个函数定义在<arpa/inet.h>中，也有比较老的系统将其定义在<netinet/in.h>中。
2、地址格式
地址标识了特定通信域中的套接字端点 ，地址格式与特定的通信域相关。 为使不同格式地址能够被传入到套接字函数，地址被强制转换成通用的地址结构sockaddr 表示：
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family; /* address family */
char sa_data[]; /* variable-length address */
......
};
套接字实现可以自由地添加额外的成员并且定义sa_data成员的大小。例如在Linux中，该结构定义如下：
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family; /* address family */
char sa_data[]; /* variable-length address */
};
因特网地址定义在<netinet/in.h>中。 在IPv4因特网域（AF_INET）中，套接字地址用如下结构sockaddr_in 表示：
struct in_addr {
int_addr_t s_addr; /* IPv4 address */
};
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family */
in_port_t sin_port; /* port number */
struct in_addr sin_addr; /* IPv4 address */
};
数据类型in_port_t定义为uint16_t。数据类型in_addr_t定义成uint32_t。这些整数类型在<stdint.h>中定义并指定了相应的位数。与IPv4因特网域（AF_INET）相比较， IPv6因特网域（AF_INET6）套接字地址用如下结构sockaddr_in6表示：
struct in6_addr {
uint8_t s6_addr[]; /* IPv6 address */
};
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family; /* address family */
in_port_t sin6_port; /* port number */
uint32_t sin6_flowinfo; /* traffic class and flow info */
struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */
uint32_t sin6_scope_id; /* set of interfaces for scope */
};
这些是Single UNIX Specification必须的定义，每个实现可以自由地添加额外的字段。例如，在Linux中，sockaddr_in定义如下：
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family */
in_port_t sin_port; /* port number */
struct in_addr sin_addr; /* IPv4 address */
unsigned char sin_zero[
]; /* filler */
};
其中成员sin_zero为填充字段，必须全部被置为0。
注意，尽管sockaddr_in与sockaddr_in6相差比较大，它们均被强制转换成sockaddr结构传入到套接字例程中 。
有时，需要打印出能被人而不是计算机所理解的地址格式。BSD网络软件中包含了函数inet_addr和inet_ntoa，用于在二进制地址格式与点分十进制字符串表示（a.b.c.d）之间相互转换。这些函数仅用于IPv4地址，但功能相似的两个函数inet_ntop和inet_pton支持IPv4和IPv6地址。
#include <arpa/inet.h> const char *inet_ntop(int domain, const void *restrict addr, char *restrict str, socklen_t size);
返回值：若成功则返回地址字符串指针，若出错则返回NULL int inet_pton(int domain, const char *restrict str, void *restrict addr);
返回值：若成功则返回1，若格式无效则返回0，若出错则返回-
函数inet_ntop将网络字节序的二进制地址转换成文本字符串格式，inet_pton将文本字符串格式转换成网络字节序的二进制地址。参数domain仅支持两个值：AF_INET和AF_INET6。
对于inet_ntop，参数size指定了用以保存文本字符串的缓冲区（str）的大小。两个常数用于简化工作：INET_ADDRSTRLEN定义了足够大的空间来存放表示IPv4地址的文本字符串，INET6_ADDRSTRLEN定义了足够大的空间来存放表示IPv6地址的文本字符串。
对于inet_pton，如果domain是AF_INET，缓冲区addr需要有足够大的空间来存放32位地址，如果domain是AF_INET6则需要足够大的空间来存放128位地址。
3、地址查询
理想情况下，应用程序不需要了解套接字地址的内部结构。如果应用程序只是简单地传递类似于sockaddr结构的套接字地址，并且不依赖于任何协议相关的特性，那么可以与提供相同服务的许多不同协议协作。
历史上，BSD网络软件提供接口访问各种网络配置信息。http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3507496.html中，简要地讨论了网络数据文件和用来访问这种信息的函数。在本节，将更加详细地讨论一些细节，并且引入新的函数来查询寻址信息。
这些函数返回的网络配置信息可能存放在许多地方。它们可以保存在静态文件中（如/etc/hosts，/etc/services等），或者可以由命名服务管理，例如DNS（Domain Name System）或者NIS（Network Information Service）。无论这些信息放在何处，这些函数同样能够访问它们。
通过调用gethostent，可以找到给定计算机的主机信息。
#include <netdb.h> struct hostent *gethostent(void);
返回值：若成功则返回指针，若出错则返回NULL void sethostent(int stayopen); void endhostent(void);
如果主机数据文件没有打开，gethostent会打开它。函数gethostent返回文件的下一个条目。函数sethostent会打开文件，如果文件已经被打开，那么将其回绕。函数endhostent将关闭文件。
当gethostent返回时，得到一个指向hostent结构的指针，该结构可能包含一个静态的数据缓冲区。每次调用gethostent将会覆盖这个缓冲区。 数据结构hostent 至少包含如下成员：
struct hostent {
char *h_name; /* name of host */
char **h_aliases; /* pointer to alternate host name array */
int h_addrtype; /* address type */
int h_length; /* length in bytes of address */
char **h_addr_list; /* pointer to array of network addresses */
...
};
返回的地址采用网络字节序。
两个附加的函数gethostbyname和gethostbyaddr，原来包含在hostent函数里面，现在被认为是过时的，马上将会看到其替代函数。
能够采用一套相似的接口来获得网络名字和网络号。
#include <netdb.h> struct netent *getnetbyaddr(uint32_t net, int type); struct netent *getnetbyname(const char *name); struct netent *getnetent(void); 以上三个函数的返回值：若成功则返回指针，若出错则返回NULL void setnetent(int stayopen); void endnetent(void);
结构netent 至少包含如下字段：
struct netent {
char *n_name; /* network name */
char **n_aliases; /* alternate network name array pointer */
int n_addrtype; /* address type */
uint32_t n_net; /* network number */
...
};
网络号按照网络字节序返回。地址类型是一个地址族常量（例如AF_INET）。
可以将协议名字和协议号采用以下函数映射。
#include <netdb.h> struct protoent *getprotobyname(const char *name); struct protoent *getprotobynumber(int proto); struct protoent *getprotoent(void); 以上所有函数的返回值：若成功则返回指针，出错则返回NULL void setprotoent(int stayopen); void endprotoent(void);
POSIX.1定义的结构protoent至少包含如下成员：
struct protoent {
char *p_name; /* protocol name */
char **p_aliases; /* pointer to alternate protocol name array */
int p_proto; /* protocol number */
...
};
服务是由地址的端口号部分表示的。每个服务由一个唯一的、熟知的端口号来提供 。采用函数getservbyname可以将一个服务名字映射到一个端口号，函数getservbyport将一个端口号映射到一个服务名，或者采用函数getservent顺序扫描服务数据库。
#include <netdb.h> struct servent *getservbyname(const char *name, const char *proto); struct servent *getservbyport(int port, const char *proto); struct servent *getservent(void); 以上所有函数的返回值：若成功则返回指针，出错则返回NULL void setservent(int stayopen); void endservent(void);
结构servent 至少包含如下成员：
struct servent {
char *s_name; /* service name */
char **s_aliases; /* pointer to alternate service name array */
int s_port; /* port number */
char *s_proto; /* name of protocol */
...
};
POSIX.1定义了若干新的函数，允许应用程序将一个主机名字和服务名字映射到一个地址，或者相反。这些函数代替老的函数gethostbyname和gethostbyaddr。
函数getaddrinfo允许将一个主机名字和服务名字映射到一个地址。
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h> int getaddrinfo(const char *restrict host,
const char *restrict service,
const struct addrinfo *restrict hint,
struct addrinfo **restrict res);
返回值：若成功则返回0，出错则返回非0错误码 void freeaddrinfo(struct addrinfo *ai);
需要提供主机名字、服务名字，或者两者都提供。如果仅仅提供一个名字，另外一个必须是个空指针。主机名字可以是一个节点名或点分十进制记法表示的主机地址。
函数getaddrinfo返回一个结构addrinfo的链表。可以用freeaddrinfo来释放一个或多个这种结构，这取决于用ai_next字段链接起来的结构有多少。
结构addrinfo 的定义至少包含如下成员：
struct addrinfo {
int ai_flags; /* customize behavior */
int ai_family; /* address family */
int ai_socktype; /* socket type */
int ai_protocol; /* protocol */
socklen_t ai_addrlen; /* length in bytes of address */
struct sockaddr *ai_addr; /* address */
char *ai_canonname; /* canonical（与aliases相对） name of host */
struct addrinfo *ai_next; /* next in list */
...
};
根据某些规则，可以提供一个可选的hint来选择地址。hint是一个用于过滤地址的模板，仅使用ai_family、ai_flags、ai_protocol和ai_socktype字段。剩余的整数字段必须设为0，并且指针字段为空。表15-6总结了在ai_flags中所用的标志，这写标志用来指定如何处理地址和名字。
表16-5 addrinfo结构标志
如果getaddrinfo失败，不能使用perror或strerror来生成错误消息。替代地，调用gai_strerror将返回的错误码转换成错误消息。
#include <netdb.h>
const char *gai_strerror(int error);
返回值：指向描述错误的字符串的指针
函数getnameinfo将地址转换成主机名或者服务名。
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h> int getnameinfo(const struct sockaddr *restrict addr,
socklen_t alen, char *restrict host,
socklen_t hostlen, char *restrict service,
socklen_t servlen, unsigned int flags);
返回值：若成功则返回0，出错则返回非0值
套接字地址（addr）被转换成主机名或服务名。如果host非空，它指向一个长度为hostlen字节的缓冲区用于存储返回的主机名。同样，如果service非空，它指向一个长度为servlen字节的缓冲区用于存储返回的服务名。
参数flags指定一些转换的控制方式，表16-6总结了系统支持的标志。
表16-6 getnameinfo函数标志
实例
程序清单16-1说明了函数getaddrinfo的使用方法。
程序清单16-1 打印主机和服务信息
#include "apue.h"
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>
#if defined(BSD) || defined(MACOS)
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#endif void print_family(struct addrinfo *aip)
{
printf(" family ");
switch(aip->ai_family)
{
case AF_INET:
printf("inet");
break;
case AF_INET6:
printf("inet6");
break;
case AF_UNIX:
printf("unix");
break;
case AF_UNSPEC:
printf("unspecified");
break;
default:
printf("unknown");
}
} void
print_type(struct addrinfo *aip)
{
printf(" type ");
switch(aip->ai_socktype)
{
case SOCK_STREAM:
printf("stream");
break;
case SOCK_DGRAM:
printf("datagram");
break;
case SOCK_SEQPACKET:
printf("seqpacket");
break;
case SOCK_RAW:
printf("raw");
break;
default:
printf("unknown (%d)", aip->ai_socktype);
}
} void
print_protocol(struct addrinfo *aip)
{
printf(" protocol ");
switch(aip->ai_protocol)
{
case :
printf("default");
break;
case IPPROTO_TCP:
printf("TCP");
break;
case IPPROTO_UDP:
printf("UDP");
break;
case IPPROTO_RAW:
printf("raw");
break;
default:
printf("unknown (%d)", aip->ai_protocol);
}
} void
print_flags(struct addrinfo *aip)
{
printf("flags");
if(aip->ai_flags == )
{
printf("");
}
else
{
if(aip->ai_flags & AI_PASSIVE)
printf(" passive");
if(aip->ai_flags & AI_CANONNAME)
printf(" canon");
if(aip->ai_flags & AI_NUMERICHOST)
printf(" numhost");
#if defined(AI_NUMERICSERV)
if(aip->ai_flags & AI_NUMERICSERV)
printf(" numserv");
#endif
#if defined(AI_V4MAPPED)
if(aip->ai_flags & AI_V4MAPPED)
printf(" v4mapped");
#endif
#if defined(AI_ALL)
if(aip->ai_flags & AI_ALL)
printf(" all");
#endif
}
} int
main(int argc, char *argv[])
{
struct addrinfo *ailist, *aip;
struct addrinfo hint;
struct sockaddr_in *sinp;
const char *addr;
int err;
char abuf[INET_ADDRSTRLEN]; if(argc != )
err_quit("usage: %s nodename service", argv[]);
hint.ai_flags = AI_CANONNAME;
hint.ai_family = ;
hint.ai_socktype = ;
hint.ai_protocol = ;
hint.ai_addrlen = ;
hint.ai_canonname = NULL;
hint.ai_addr = NULL;
hint.ai_next = NULL;
if((err = getaddrinfo(argv[], argv[], &hint, &ailist)) != )
err_quit("getaddrinfo error: %s", gai_strerror(err));
for(aip = ailist; aip != NULL; aip = aip->ai_next)
{
print_flags(aip);
print_family(aip);
print_type(aip);
print_protocol(aip);
printf("\n\thost %s", aip->ai_canonname?aip->ai_canonname:"-");
if(aip->ai_family == AF_INET)
{
sinp = (struct sockaddr_in *)aip->ai_addr;
addr = inet_ntop(AF_INET, &sinp->sin_addr, abuf, INET_ADDRSTRLEN);
printf(" address %s", addr?addr:"unknown");
printf(" port %d", ntohs(sinp->sin_port));
}
printf("\n");
}
exit();
}
程序在Linux系统上运行输出如下：
4、将套接字与地址绑定
与客户端的套接字关联的地址没有太大的意义，可以让系统选一个默认的地址。然而，对于服务器，需要给一个接收客户端请求的套接字绑定一个众所周知的地址。 客户端应有一种方法来发现用以连接服务器的地址，最简单的方法就是为服务器保留一个地址并且在/etc/services或者某个名字服务（name service）中注册。
可以用bind函数将地址绑定到一个套接字。
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);
返回值：若成功则返回0，出错则返回-
对于所能使用的地址有一些限制：
- 在进程所运行的机器上，指定的地址必须有效，不能指定一个其他机器的地址。
- 地址必须和创建套接字时的地址族所支持的格式相匹配。
- 端口号必须不小于1024，除非该进程具有相应的特权（即为超级用户）。
- 一般只有套接字端点能够与地址绑定，尽管有些协议允许多重绑定。
对于因特网域，如果指定IP地址为INADDR_ANY，套接字端点可以被绑定到所有的系统网络接口。这意味着可以收到这个系统所安装的所有网卡的数据包。
可以调用函数getsockname来发现绑定到一个套接字的地址。
#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict alenp);
返回值：若成功则返回0，出错则返回-
调用getsockname之前，设置alenp为一个指向整数的指针，该整数指定缓冲区sockaddr的大小。返回时，该整数会被设置成返回地址的大小。如果该地址和提供的缓冲区长度不匹配，则将其截断而不报错。如果当前没有绑定到该套接字的地址，其结果没有定义。
如果套接字已经和对方连接，调用getpeername来找到对方的地址 。
#include <sys/socket.h>
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict alenp);
返回值：若成功则返回0，若出错则返回-
除了返回的是对方的地址之外，函数getpeername和getsockname一样。
本篇博文内容摘自《UNIX环境高级编程》（第2版），仅作个人学习记录所用。关于本书可参考： http://www.apuebook.com/ 。
