3、linux网络编程--网络字节序

一、字节序的概念

字节序是指多字节数据的存储顺序，在设计计算机系统的时候，有两种处理内存中数据的方法：大端格式、小端格式。

小端格式(Little-Endian)：将低位字节数据存储在低地址。

大端格式(Big-Endian)：将高位字节数据存储在低地址。

举个简单的例子，对于整形 0x12345678，它在大端格式和小端格式的系统中，分别如下图所示的方式存放：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

#include <stdio.h>    int main(int argc, charchar *argv[])  {      unsigned int a = 0x12345678;      unsigned char *p = (unsigned charchar *)&a; //只取一个字节      if(0x12 == *p){          printf("Big-Endian ");      }else if(0x78 == *p){          printf("Little-Endian ");      }        return 0;  }

网络上的数据流是字节流，对于一个多字节数值，在进行网络传输的时候，先传递哪个字节？也就是说，当接收端收到第一个字节的时候，它是将这个字节作为高位还是低位来处理呢？

网络字节序定义：收到的第一个字节被当作高位看待，这就要求发送端发送的第一个字节应当是高位。而在发送端发送数据时，发送的第一个字节是该数字在内存中起始地址对应的字节。可见多字节数值在发送前，在内存中数值应该以大端法存放。  

所以，网络协议指定了通讯字节序：大端。只有在多字节数据处理时才需要考虑字节序，运行在同一台计算机上的进程相互通信时，一般不用考虑字节序，异构计算机之间通讯，需要转换自己的字节序为网络字节

二、字节序转换函数介绍

以下接口所需头文件：#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostint32);

功能：

将 32 位主机字节序数据转换成网络字节序数据

参数：

hostint32：需要转换的 32 位主机字节序数据，uint32_t 为 32 为无符号整型

返回值：

成功：返回网络字节序的值

uint16_t htons(uint16_t hostint16);

功能：

将 16 位主机字节序数据转换成网络字节序数据

参数：

hostint16：需要转换的 16 位主机字节序数据，uint16_t，unsigned short int

返回值：

成功：返回网络字节序的值

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

#include <stdio.h>  #include <arpa/inet.h>    int main(int argc, charchar *argv[])  {      int a = 0x01020304;      short int b = 0x0102;        printf("htonl(0x%08x) = 0x%08x ", a, htonl(a));      printf("htons(0x%04x) = 0x%04x ", b, htons(b));        return 0;  }

uint32_t ntohl(uint32_t netint32);

功能：

将 32 位网络字节序数据转换成主机字节序数据

参数：

netint32：待转换的 32 位网络字节序数据，uint32_t，unsigned int

返回值：

成功：返回主机字节序的值

uint16_t ntohs(uint16_t netint16);

功能：

将 16 位网络字节序数据转换成主机字节序数据

参数：

netint16：待转换的 16 位网络字节序数据，uint16_t，unsigned short int

返回值：

成功：返回主机字节序的

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

#include <stdio.h>  #include <arpa/inet.h>  int main()  {      char ip_str[]="172.20.223.75";      unsigned int ip_uint = 0;      unsigned charchar *ip_p = NULL;        inet_pton(AF_INET,ip_str,&ip_uint);      printf("in_uint = %d ",ip_uint);        ip_p = (charchar *)&ip_uint;      printf("in_uint = %d,%d,%d,%d ",*ip_p,*(ip_p+1),*(ip_p+2),*(ip_p+3));        return 0;  }

const char *inet_ntop( int family, 

const void *addrptr,   

char *strptr, 

size_t len );

功能：

将 32 位无符号整数转换成点分十进制数串

参数：

family：协议族( AF_INET、AF_INET6、PF_PACKET 等 )，常用 AF_INET

addrptr：32 位无符号整数

strptr：点分十进制数串

len：strptr 缓存区长度

 len 的宏定义

 #define INET_ADDRSTRLEN   16  // for ipv4

#define INET6_ADDRSTRLEN  46  // for ipv6

返回值：

成功：则返回字符串的首地址

失败：返回 NULL

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

#include <stdio.h>  #include <arpa/inet.h>  int main()  {      unsigned char ip[] = {172,20,223,75};      char ip_str[16] = "NULL";        inet_ntop(AF_INET,(unsigned intint *)ip,ip_str,16);      printf("ip_str = %s ",ip_str);        return 0;  }

主机字节序与网络字节序的转换函数：htonl、ntohl、htons、ntohs

Part 1: htons函数具体解释
     在Linux和Windows网络编程时需要用到htons和htonl函数，用来将主机字节顺序转换为网络字节顺序。

     在Intel机器下，执行以下程序

int main()
...{
   printf("%d /n",htons(16));
      return 0;
}
得到的结果是4096，初一看感觉很怪。

    解释如下，数字16的16进制表示为0x0010，数字4096的16进制表示为0x1000。 由于Intel机器是小尾端，存储数字16时实际顺序为1000，存储4096时实际顺序为0010。因此在发送网络包时为了报文中数据为0010，需要经过htons进行字节转换。如果用IBM等大尾端机器，则没有这种字节顺序转换，但为了程序的可移植性，也最好用这个函数。

   另外用注意，数字所占位数小于或等于一个字节（8 bits）时，不要用htons转换。这是因为对于主机来说，大小尾端的最小单位为字节(byte)。

Part 2: 大小端模式

不同的CPU有不同的字节序类型 这些字节序是指整数在内存中保存的顺序 这个叫做主机序 
最常见的有两种
1． Little endian：将低序字节存储在起始地址
2． Big endian：将高序字节存储在起始地址

LE little-endian 
最符合人的思维的字节序 
地址低位存储值的低位 
地址高位存储值的高位 
怎么讲是最符合人的思维的字节序，是因为从人的第一观感来说 
低位值小，就应该放在内存地址小的地方，也即内存地址低位 
反之，高位值就应该放在内存地址大的地方，也即内存地址高位

BE big-endian 
最直观的字节序 
地址低位存储值的高位 
地址高位存储值的低位 
为什么说直观，不要考虑对应关系 
只需要把内存地址从左到右按照由低到高的顺序写出 
把值按照通常的高位到低位的顺序写出 
两者对照，一个字节一个字节的填充进去

例子：在内存中双字0x01020304(DWORD)的存储方式

内存地址 
4000 4001 4002 4003 
LE 04 03 02 01 
BE 01 02 03 04

例子：如果我们将0x1234abcd写入到以0x0000开始的内存中，则结果为
      big-endian  little-endian
0x0000  0x12      0xcd
0x0001  0x23      0xab
0x0002  0xab      0x34
0x0003  0xcd      0x12
x86系列CPU都是little-endian的字节序.

网络字节顺序是TCP/IP中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释。网络字节顺序采用big endian排序方式。

为了进行转换 bsd socket提供了转换的函数 有下面四个
htons 把unsigned short类型从主机序转换到网络序
htonl 把unsigned long类型从主机序转换到网络序
ntohs 把unsigned short类型从网络序转换到主机序
ntohl 把unsigned long类型从网络序转换到主机序

在使用little endian的系统中 这些函数会把字节序进行转换 
在使用big endian类型的系统中 这些函数会定义成空宏

同样 在网络程序开发时 或是跨平台开发时 也应该注意保证只用一种字节序 不然两方的解释不一样就会产生bug.

注：
1、网络与主机字节转换函数:htons ntohs htonl ntohl (s 就是short l是long h是host n是network)
2、不同的CPU上运行不同的操作系统，字节序也是不同的，参见下表。
处理器    操作系统    字节排序
Alpha    全部    Little endian
HP-PA    NT    Little endian
HP-PA    UNIX    Big endian
Intelx86    全部    Little endian <-----x86系统是小端字节序系统
Motorola680x()    全部    Big endian
MIPS    NT    Little endian
MIPS    UNIX    Big endian
PowerPC    NT    Little endian
PowerPC    非NT    Big endian  <-----PPC系统是大端字节序系统
RS/6000    UNIX    Big endian
SPARC    UNIX    Big endian
IXP1200 ARM核心    全部    Little endian

本文来自CSDN博客，转载请标明出处：http://blog.csdn.NET/zouxinfox/archive/2007/10/07/1814088.aspx

Part 3: 模拟htonl、ntohl、htons、ntohs函数实现

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今天在如鹏网里讨论htonl、ntohl在不同机器的区别，特意模拟了htonl、ntohl、htons、ntohs函数实现。
实现如下：

typedef unsigned short int uint16;

typedef unsigned long int uint32;

// 短整型大小端互换

#define BigLittleSwap16(A)  ((((uint16)(A) & 0xff00) >> 8) | /

                                                 (((uint16)(A) & 0x00ff) << 8))

// 长整型大小端互换

#define BigLittleSwap32(A)  ((((uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | /

                                                 (((uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8) | /

                                                 (((uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8) | /

                                                 (((uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))

// 本机大端返回1，小端返回0

int checkCPUendian()

{

       union{

              unsigned long int i;

              unsigned char s[4];

       }c;

       c.i = 0x12345678;

       return (0x12 == c.s[0]);

}

// 模拟htonl函数，本机字节序转网络字节序

unsigned long int HtoNl(unsigned long int h)

{

       // 若本机为大端，与网络字节序同，直接返回

       // 若本机为小端，转换成大端再返回

       return checkCPUendian() ? h : BigLittleSwap32(h);

}

// 模拟ntohl函数，网络字节序转本机字节序

unsigned long int NtoHl(unsigned long int n)

{

       // 若本机为大端，与网络字节序同，直接返回

       // 若本机为小端，网络数据转换成小端再返回

       return checkCPUendian() ? n : BigLittleSwap32(n);

}

// 模拟htons函数，本机字节序转网络字节序

unsigned short int HtoNs(unsigned short int h)

{

       // 若本机为大端，与网络字节序同，直接返回

       // 若本机为小端，转换成大端再返回

       return checkCPUendian() ? h : BigLittleSwap16(h);

}

// 模拟ntohs函数，网络字节序转本机字节序

unsigned short int NtoHs(unsigned short int n)

{

       // 若本机为大端，与网络字节序同，直接返回

       // 若本机为小端，网络数据转换成小端再返回

       return checkCPUendian() ? n : BigLittleSwap16(n);

}

大端小端 && 网络字节序

（0）背景：
网络上的数据流是字节流，对于一个多字节数值，在进行网络传输的时候，先传递哪个字节？也就是说，当接收端收到第一个字节的时候，它是将这个字节作为高位还是低位来处理呢？ 


（1）网络字节序定义：
收到的第一个字节被当作高位看待，这就要求发送端发送的第一个字节应当是高位。


（2）网络字节序为大端序列：
在发送端发送数据时，发送的第一个字节是该数字在内存中起始地址对应的字节。可见多字节数值在发送前，在内存中数值应该以大端法存放。 


htons():将16位无符号整数从本地字节序转换成网络字节序；
htonl():将32位无符号整数从本地字节序转换成网络字节序；
ntohs():将16位无符号整数从网络字节序转换成本地字节序；
ntohl():将32位无符号整数从网络字节序转换成本地字节序；


（3）举例：
比如我们经过网络发送0x12345678这个整形，在80X86平台中，它是以小端法存放的，在发送前需要使用系统提供的htonl将其转换成大端法存放，如图2所示。




（4）大端序列与小端序列：
1.小端法(Little-Endian)就是低位字节排放在内存的低地址端即该值的起始地址，高位字节排放在内存的高地址端。 
2.大端法(Big-Endian)就是高位字节排放在内存的低地址端即该值的起始地址，低位字节排放在内存的高地址端。


举个简单的例子，对于整形0x12345678。它在大端法和小端法的系统内中，分别如图1所示的方式存放。
如下图：




（5）字节序测试函数：


不同cpu平台上字节序通常也不一样，下面写个简单的C程序，它可以测试不同平台上的字节序。
  #include <stdio.h>
  #include <netinet/in.h>
  int main()
  {
     int i_num = 0x12345678;
     printf("[0]:0x%x ", *((char *)&i_num + 0));
     printf("[1]:0x%x ", *((char *)&i_num + 1));
     printf("[2]:0x%x ", *((char *)&i_num + 2));
     printf("[3]:0x%x ", *((char *)&i_num + 3));
   
     i_num = htonl(i_num);
     printf("[0]:0x%x ", *((char *)&i_num + 0));
     printf("[1]:0x%x ", *((char *)&i_num + 1));
     printf("[2]:0x%x ", *((char *)&i_num + 2));
     printf("[3]:0x%x ", *((char *)&i_num + 3));
   
     return 0;
  }