linux网络编程

数据存储优先顺序的转换

计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式）。内存的低地址存储数据的低字节，高地址存储数据的高字节的方式叫小端模式。内存的高地址存储数据的低字节，低地址存储数据高字节的方式称为大端模式。

eg:对于内存中存放的数0x12345678来说（注意，对于数据而言，此处12是高字节，78是低字节；对于地址而言，左边是低地址，右边是高地址）

如果是采用大端模式存放的，则其真实的数是：0x12345678

如果是采用小端模式存放的，则其真实的数是：0x78563412

综上：小端模式，先存低字节；大端模式先存高字节。

如果称某个系统所采用的字节序为主机字节序，则它可能是小端模式的，也可能是大端模式的。通常我们的电脑存放数据，都是以小端模式存放。而端口号和IP地址都是以网络字节序存储的，不是主机字节序，网络字节序都是大端模式。要把主机字节序和网络字节序相互对应起来，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。

Pra1

原题

实现将字符串形式存放的ip地址（点分十进制数）转换为主机字节序的32位二进制数值。IP为：“180.97.33.107”。十六进制为b4.61.21.6b

思路

一般我们的主机字节序均为小端字节序，也就是选存放数据的低字节。

1. 将字符串中的每个数取出来

2. 分别左移（注意，左移时一定会补0）

         180 : 00 00 00 b4    左移0  位   00 00 00 b4
         97   : 00 00 00 61    左移8  位   00 00 61 00
         33   : 00 00 00 21    左移16位   00 21 00 00
         107 : 00 00 00 6b    左移24位   6b 00 00 00

3. 或操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define IP "180.97.33.107"

/* 将ip地址转换为主机字节序的二进制数值，输出用16进制表示 */
static int my_atoh(char *ip)
{
    int arr[4]; /* 用于存放从ip地址中扣出的4个整数 */
    int my_ip;
    sscanf(IP,"%d.%d.%d.%d",arr,arr+1,arr+2,arr+3);
    my_ip = (arr[3] << 24) | (arr[2] << 16) | (arr[1] << 8) | arr[0];
    return my_ip;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int my_host = my_atoh(IP);
    printf("ip  : %s 
",IP);
    printf("host: %x 
",my_host);
    return 0;
}

Pra2

原题

实现将主机字节序（小端模式存放）转换为网络字节序（大端模式存放）。即主机字节序为6b2161b4 –> b461216b

思路1

将6b与b4交换，21与61交换。

#include <stdio.h>

int my_hton(int ip)
{
    /* &ip指向用32个bit表示的整型数ip，将int*类型的指针转换为char*类型的指针，
     * 则ptr指向用8个bit表示(第0-7位)的整型数，
     * ptr+1指向用8个bit表示(第8-15位)的整型数，
     * ptr+2指向用8个bit表示(第16-23位)的整型数，
     * ptr+3指向用8个bit表示(第24-31位)的整型数。*/
    

    char *ptr = (char*)&ip;
    
    char tmp;
    tmp = ptr[0];
    ptr[0] = ptr[3];
    ptr[3] = tmp;

    tmp = ptr[1];
    ptr[1] = ptr[2];
    ptr[2] = tmp;

    return ip;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int my_host = 0x6b2161b4;
    int my_net = my_hton(my_host);
    printf("my_host: %x 
",my_host);
    printf("my_net : %x 
",my_net);
    return 0;
}

实际上，ip地址为点分十进制，每个字节的表示范围都是0-255。而我们的char类型通常默认为有符号数，也就是说其表示范围是-128-127。那么我在代码中标记为黄色的部分是不是出错了呢？实际上并没有错，因为在此处我们只是关心ip每一位的存储情况，并不要求用到具体每个字节的实际十进制表示数值。在用printf格式化输出时，是根据数据在内存中的二进制形式来格式化的，而16进制形式是没有负数的。

思路2

1. 对于0x6b2161b4，先右移并进行与操作，取出各字节

例如：要取出6b，则0x6b2161b4右移24位，之后与0xff进行与操作即可

注意：千万不能先进行与操作，再右移。如，要取出6b，先使0x6b2161b4与0xff000000进行与操作，之后右移24位。这是错误的，因为右移会补符号位。（tips：左移补0，并舍弃符号位）

2. 分别再左移，调整到适当位置。 （以下两步类似于Pra1）

3. 或操作

#include <stdio.h>

int my_hton2(int ip)
{
    int my_net;
    my_net = ((ip&0xff)<<24) | (((ip>>8)&0xff) << 16) | (((ip>>16)&0xff) << 8) | ((ip>>24)&0xff);
    return my_net;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int my_host = 0x6b2161b4;
    int my_net = my_hton2(my_host);
    printf("my_host: %x 
", my_host);
    printf("my_net : %x 
", my_net);
    return 0;
}

实现将网络字节序转换为点分十进制

#include <stdio.h>

static char* my_ntoa(int ip)
{
    static char buf[1024] = "";
    sprintf(buf,"%d.%d.%d.%d",(ip >> 24) & 0xff,(ip >> 16) & 0xff, (ip >> 8) & 0xff, ip & 0xff);
    return buf;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    int my_net = 0xb461216b;
    printf("my_net: %x 
", my_net);
    printf("IP    : %s 
", my_ntoa(my_net));
    return 0;
}

我们的my_atoh,my_hton合并为系统函数inet_aton,而my_ntoa即为系统函数inet_ntoa。

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    char ip_buf[] = "180.97.33.107";
    struct in_addr my_addr;
    inet_aton(ip_buf,&my_addr);
    printf("ip : %s 
", ip_buf);
    printf("net: %x 
", my_addr.s_addr);
    return 0;
}

ip : 180.97.33.107
net: 6b2161b4

照理，网络字节序是大端存储，应该返回0xb461216b。实际上调用系统函数inet_aton后，就直接在变量my_addr.s_addr的实际内存空间中以二进制形式写入了0xb461216b（其实用位运算，就可以直接操作二进制位，上篇博文有具体实现）。之所以运行结果是0x6b2161b4，是因为我们的主机是小端存储，用printf显示结果是先取低字节。

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct in_addr my_addr;
    my_addr.s_addr = 0xb461216b;
    printf("net: %x 
", my_addr.s_addr);
    printf("ip : %s 
", inet_ntoa(my_addr));
    return 0;
}

net: b461216b
ip : 107.33.97.180

照理，ip应该输出的是180.97.33.107。其实道理很简单，我们的主机是小端模式存储，而网络字节序是大端模式，当我们把0xb461216b赋值给my_addr.s_addr 时，实际上在内存中存储形式是0x6b2161b4，而inet_ntoa的具体实现时通过位运算直接操纵二进制位的，因此结果就自然输出107.33.97.180。

// 测试大端机还是小端机
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int a = 0x61;//97
    printf("%x
",(char*)(&a)[0]);
}
结果输出61，说明是小端机，先存低字节。
系统函数无论inet_aton还是inet_ntoa，都是直接以位运算形式实现的，因此其关注的是数据在内存中实际的二进制存储形式。

使用#把宏参数变为一个字符串,用##把两个宏参数贴合在一起。

TCP通信的基本步骤如下：

服务端：socket---bind---listen---while(1){---accept---recv---send---close---}------close

客户端：socket------------------------------connect---send---recv-----------------close

UDP通信的基本步骤如下：

服务端：socket---bind---recvfrom---sendto----close

客户端：socket----------sendto----recvfrom---close

TCP

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

server:

int socket(int domain, int type, int protocol);

int bind(int fd_server, struct sockaddr *addr_server, int addrlen); /* 绑定服务器联系方式，让客户端有明确的联系方式可以连接 */

int listen(int fd_server, int backlog); /* 将fd_server转换为被动套接字，同时内核将listen到的请求的联系方式放入队列 */

int accept(int fd_server, struct sockaddr *addr_client, int *addrlen); /* 返回客户端socket的另一端，以此建立连线 *//* addr_client为传出参数，存放请求连接方的联系方式 ，如不需要刻意置为NULL */

client:

int connect (int fd_client,struct sockaddr *addr_server, int addrlen); /* 通过服务器的联系方式addr_server去连接服务器 */

/* 作为服务器，一定要绑定联系方式，不然请求方没有明确的联系方式可以连接 ，
   作为客户端，可以不用绑定联系方式，其端口号会由系统自动分配。          
   建立连线的关键在于accept函数会返回客户端socket描述符所对应的另一端socket的描述符，
   并且客户端的联系方式也可以在accept中使用传出函数获取。                              */
   
after connect：

/* 建立连线后，就可以利用socket描述符发送接收信息了 */
int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);

int send(int s,const void * msg,int len,unsigned int flags);

/* 会话结束，关闭 */
int close(int fd);

UDP

server:

int socket(int domain, int type, int protocol);

/* 绑定服务器联系方式，让客户端有明确的联系方式可以连接 */
int bind(int fd_server, struct sockaddr *addr_server, int addrlen); 

/* 由于fd_server已经绑定联系方式(addr_server)，请求方发送信息时，会通过addr_server发送消息至服务器fd_server，
   因此，服务器可以通过fd_server收到消息，并且请求方的联系方式可以通过传出参数addr_client获取                */
int recvfrom(int fd_server, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *addr_client, int *addrlen); 

/* 请求方的联系方式(addr_client)会由系统自己绑定，服务器是通过recvfrom的传出参数获取addr_client的。
   因此服务器发送消息时，可以通过客户端联系方式addr_client发送至客户端fd_client。                  */
int sendto(int fd_server, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr_client, int addrlen);

client：

/* 客户端的联系方式，服务器可以在recvfrom时获取，因此没有必要在一开始就绑定 */
int sendto(int fd_server, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr_client, int addrlen);

int recvfrom(int fd_server, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *addr_client, int *addrlen); 

/* 实际上，UTP通信方式并没有建立socket连线，双方均是通过联系方式(IP和端口号)进行通信的。
   服务器需要在一开始绑定联系方式，不然请求方没有明确的联系方式可以连接。
   当服务器recvfrom，不但可以收到客户端的消息，同时可以获取客户端的联系方式。            */

1. TCP通信会建立连线。服务器的socket端口会bind联系方式，给客户端一个明确的联系方式去connect。服务器会listen到客户端的connect，并将其联系方式放入内核维护的任务请求队列中。之后服务器accept，获取与客户端通信的对应socket端口，从而建立连线！之后双方通过socket端口进行通信。

2. UDP通信不会建立连线。服务器的socket端口同样会bind联系方式。客户端通过此联系方式向服务器发送(sendto)消息，由于此联系方式已绑定到服务器的socket端口，因此服务器一定可以收到(recvfrom)消息，与此同时通过recvfrom的传出参数获取客户端的联系方式，从而可以通过客户端的联系方式向客户端发送消息。即，UTP的通信是基于联系方式(IP和端口号)的。是不可靠的通信方式。

3. 为什么TCP中的accept与UDP中的recvfrom都可以通过传出参数获取对方联系方式？不理解的话，可以类比寄信，别人给你寄一封信时，总会写上自己的联系方式吧。