《Linux高性能服务器编程》学习笔记——第五章 Linux网络编程基础API(1)

先来学习一下《Linux高性能服务器编程》第五章 Linux网络编程基础API。
 
Linux网络API分为三个方面：socket地址API，socket基础API，网络信息API。
socket地址API主要是跟socket地址转换相关的一些API，socket地址包含IP地址和端口，唯一标示了TCP通信的一端；
socket基础API主要有创建socket，命名socket，监听socket，接受连接，发起连接，读写数据，获取地址信息，检测带外标记以及读取和设置socket选项。一般定义在sys/socket.h头文件中；
网络信息API实现主机名和IP地址之间、服务名称和端口号之间的转换，定义在netdb.h头文件中。
 
 
一、socket地址API
1、主机字节序和网络字节序
大端：整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在高地址处；
小端：整数的高位字节存储在内存的高地址处，低位字节存储在低地址处；
 
PC大多采用小端字节序，所以小端字节序也称为主机字节序。
 
为在不同字节序的主机之间传送数据，发送端总是把数据转成大端，接收端也知道收到的数据总是大端字节序，然后根据自己的字节序决定是否需要转换。大端字节序也称为网络字节序。
 
注意：即使同一机器上的两个进程通信，也要考虑字节序。（比如一个由C语言编写，一个由Java编写，Java虚拟机采用大端）
 
Linux提供4个函数完成两种字节序的转换：
 
#include<netinet/in.h>
unsigned long int htonl(unsigned longint hostlong);
unsigned short int htons(unsignedshort int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned longint netlong);
unsigned short int ntohs(unsignedshort int netshort);
 
2、通用socket地址
socket地址结构体sockaddr：
#include <bits/socket.h>
struct sockaddr
{
    sa_family_tsa_family;
    charsa_data[14];
}
其中，sa_family_t sa_family表示地址族，地址族类型通常与协议族类型对应，如下表：

协议族	地址族	描述
PF_UNIX	AF_UNIX	UNIX本地协议族
PF_INET	AF_INET	TCP/IPv4协议族
PF_INET6	AF_INET6	TCP/IPv6协议族

PF_*和AF_*都定义在bits/socket.h头文件中，二者值相同，经常混用。
 
sa_data用于存放socket地址值，不同协议族的地址值含义和长度不同：

协议族	地址值含义和长度
PF_UNIX	文件路径名，最大长度108字节
PF_INET	16bit端口号和32bit IPv4地址，6字节
PF_INET6	16bit端口号和32bit流标识，128bit IPv6地址，32bit范围ID,共26字节

 
14字节sa_data无法容纳多数协议族的地址值，因此Linux定义了新的通用socket地址结构体：
#include<bits/socket.h>
structsockaddr_storage
{
    sa_family_t sa_family;
    unsigned long int  __ss_align;
    char __ss_padding[128-sizeof(__ss_align)];
}
该结构体提供了足够的空间存储地址，并且是内存对齐的。
 
3、专用socket地址
通用地址很不好用，设置与获取IP地址和端口号需要繁琐的位操作。Linux为各个协议族提供了专门的socket地址结构体。
UNIX本地协议族使用如下socket地址结构体：
#include<sys/un.h>
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sin_family;/*地址族AF_UNIX*/
    char sun_path[108];/*文件路径名*/
}；

TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个结构体，分别对应IPv4和IPv6:
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family;/*地址族：AF_INET*/
    u_int16_t sin_port;/*端口号，网络字节序表示*/
    struct in_addr sin_addr;/*IPv4地址结构体*/
};
struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr;/*IPv4地址，网络字节序表示*/
};
 
struct sockaddr_in6
{
    sa_family_t sin6_family;/*地址族：AF_INET6*/
    u_int16_t sin6_port;/*端口号，网络字节序*/
    u_int32_t sin6_flowinfo;/*流信息，应设置为0*/
    struct in6_addr sin6_addr;/*IPv6地址结构体*/
    u_int32_t sin6_scope_id;/*scope ID,尚处于实验阶段*/
};
struct in6_addr
{
    unsigned char sa_addr[16];/*IPv6地址，网络字节序*/
};

所有专业socket地址类型变量使用时需要强制转换为sockaddr通用地址类型，所有socket编程接口的地址参数类型都是sockaddr。
 
4、IP地址转换函数
 点分十进制字符串表示IPv4地址，十六进制表示IPv6地址，可读性更好，但编程时需要把它们转为二进制整数才能使用。下面3个函数用于点分十进制和网络字节序整数表示的IPv4地址间的转换：
#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char* strptr);
int inet_aton(const char* cp, struct in_addr* inp);
char* inet_ntoa(struct in_addr in);
inet_addr函数将点分十进制字符串转化为网络字节序整数IPv4地址，失败返回INADDR_NONE。
inet_aton函数功能相同，但将转化结果保存在inp参数指向的地址中，成功返回1，失败返回0。
inet_ntoa函数将网络字节序整数转化为点分十进制字符串。注意该函数内部用一静态变量保存转化结果，函数返回值指向该静态内存，该函数不可重入。如果连续调用该函数两次，之后再获取两次的结果，则只保存了最后一次的结果。
下面两个函数与上面三个函数功能相同，可用于IPv4和IPv6：
#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);
const char* inet_ntop(int af, const void* src, char* dst, socklen_t cnt);
inet_pton函数将字符串表示的IP地址src（点分十进制表示的IPv4或十六进制表示的IPv6）转为网络字节序整数，结果保存在dst指向的内存中。参数af表示地址族，AF_INET或AF_INET6,函数成功返回1，失败返回0并设置errno。
inet_ntop操作相反，最后一个参数cnt指定目标存储单元的大小，有两个宏：
#include<netinet/in.h>
#define INET_ADDRSTRLEN 16
#define INET6_ADDRSTRLEN 46
成功返回目标存储单元地址，失败返回NULL，并设置errno。

以上为socket地址API相关的内容，主要是对socket地址的定义和转换。之后看socket基础API，主要是socket的基本操作。