【C++高并发服务器WebServer】-11：Socket与IP地址转换

一、Socket

socket地址其实是一个结构体，封装端口号和IP等信息。后面的socket相关的api中需要使用到这个socket地址。

socket地址的是结构体sockaddr，定义如下：

#include <bits/socket.h>

struct sockaddr {
	sa_family_t sa_family; //sa就是sockaddr的简称
	char sa_data[14]; //一共14个字节
};
typedef unsigned short int sa_family_t; //2哥字节

sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族（protocol family，也称 domain）和对应的地址族如下所示：

宏 PF_* 和 AF_* 都定义在 bits/socket.h 头文件中，且后者与前者有完全相同的值，所以二者通常混用。

sa_data 成员用于存放 socket 地址值。但是，不同的协议族的地址值具有不同的含义和长度，如下所示：

14 字节的 sa_data 根本无法容纳多数协议族的地址值。因此，Linux 定义了下面这个新的通用的 socket 地址结构体，这个结构体不仅提供了足够大的空间用于存放地址值，而且是内存对齐的。

#include <bits/socket.h>

struct sockaddr_storage
{
	sa_family_t sa_family; //地址的类型
	unsigned long int __ss_align;  //用来做内存对齐的
	char __ss_padding[ 128 - sizeof(__ss_align) ];
};

typedef unsigned short int sa_family_t;

很多网络编程函数诞生早于 IPv4 协议，那时候都使用的是 struct sockaddr 结构体，为了向前兼容，现在sockaddr 退化成了（void *）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是 sockaddr_in 还是sockaddr_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。

TCP/IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用的 socket 地址结构体，它们分别用于 IPv4 和IPv6。

struct sockaddr_in
{
	sa_family_t sin_family; //地址族的类型AF-INET
	in_port_t sin_port; //short类型，端口号，2个字节
	struct in_addr sin_addr; // IP地址
	
	unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) - 	__SOCKADDR_COMMON_SIZE -
	sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr)];
	//剩余填充的部分
}


struct in_addr
{
	in_addr_t s_addr; //4个字节的int类型的数据 ip地址
};

typedef unsigned short uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint16_t in_port_t;
typedef uint32_t in_addr_t;
#define __SOCKADDR_COMMON_SIZE (sizeof (unsigned short int))

所有专用 socket 地址（以及 sockaddr_storage）类型的变量在实际使用时都需要转化为通用 socket 地址类型 sockaddr（强制转化即可），因为所有 socket 编程接口使用的地址参数类型都是 sockaddr。

二、IP地址转换

通常，人们习惯用可读性好的字符串来表示 IP 地址，比如用点分十进制字符串表示 IPv4 地址，以及用十六进制字符串表示 IPv6 地址。但编程中我们需要先把它们转化为整数（二进制数）方能使用。而记录日志时则相反，我们要把整数表示的 IP 地址转化为可读的字符串。下面 3 个函数可用于用点分十进制字符串表示的 IPv4 地址和用网络字节序整数表示的 IPv4 地址之间的转换：

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

上面的三个函数比较旧了，是早期的转换函数。

下面的函数比较新，也能够完成前面3个函数相同的功能：

#include <arpa/inet.h>
// p:点分十进制的IP字符串，n:表示network，网络字节序的整数
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
	af:地址族： AF_INET AF_INET6
	src:需要转换的点分十进制的IP字符串
	dst:转换后的结果保存在这个里面
	
// 将网络字节序的整数，转换成点分十进制的IP地址字符串
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
	af:地址族： AF_INET AF_INET6
	src: 要转换的ip的整数的地址
	dst: 转换成IP地址字符串保存的地方
	size：第三个参数的大小（数组的大小）
	返回值：返回转换后的数据的地址（字符串），和 dst 是一样的

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {`在这里插入代码片`

    // 创建一个ip字符串,点分十进制的IP地址字符串
    char buf[] = "192.168.1.4";
    unsigned int num = 0;

    // 将点分十进制的IP字符串转换成网络字节序的整数
    inet_pton(AF_INET, buf, &num);
    unsigned char * p = (unsigned char *)&num; //num已经是网络字节序了 大端字节序的形式
    printf("%d %d %d %d\n", *p, *(p+1), *(p+2), *(p+3)); //输出 192 168 1 4


    // 将网络字节序的IP整数转换成点分十进制的IP字符串
    char ip[16] = "";
    const char * str =  inet_ntop(AF_INET, &num, ip, 16);
    printf("str : %s\n", str);
    printf("ip : %s\n", str);
    printf("%d\n", ip == str);

    return 0;
}

通过下面的代码，我们可以确认完整的网络字节序是什么样子的。

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    char buf[] = "192.168.1.4";
    unsigned int num = 0;
    inet_pton(AF_INET, buf, &num);
    unsigned char * p = (unsigned char *)&num;

    // 十六进制打印完整的网络字节序
    printf("完整的网络字节序: 0x");
    for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {
        printf("%02X", p[i]); //%02X表示以两位十六进制数格式化输出，不足两位时前面补0
    }
    printf("\n");

    // 十六进制打印每个字节的值
    printf("逐字节打印: ");
    for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {
        printf("%02X ", p[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}


    // 二进制打印完整的网络字节序
    printf("二进制完整的网络字节序: ");
    for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {
        print_binary(p[i]);
        if (i < sizeof(num) - 1) {
            printf(" "); // 在字节之间添加空格
        }
    }
    printf("\n");

输出：
完整的网络字节序: 0xC0A80104
逐字节打印: C0 A8 01 04 
二进制完整的网络字节序: 11000000 10101000 00000001 00000100