网络地址(Internet Address)#

$IP$地址主要分为两类：
IPv4(Internet Protocol version 4) 4字节地址族
IPv6(Internet Protocol version 6) 16字节地址族
$IPv4$和$IPv6$主要的区别是$IP$地址使用的字节数，目前主要使用的地址族还是$IPv4$。
$IPv4$标准的$4$字节$IP$地址分为网络地址和主机地址。且分为$A、B、C、D、E$等类型。一般不使用已被预约的$E$类地址。

网络地址的分类与主机地址边界#

只通过$IP$地址的第一个字节即可判断网络地址占用的字节数：
$A$类地址的首字节范围：$0-127$
$B$类地址的首字节范围：$128-191$
$C$类地址的首字节范围：$192-223$
还有下述表示方式。
$A$类地址的首位以$0$开始
$B$类地址的前$2$位以$10$开始
$C$类地址的前$3$位以$110$开始

用于区分套接字的端口号#

$IP$用以区分计算机，只要有$IP$地址就能向目标主机传输数据。但是不同的数据（比如视频数据和网页数据）接收需要不同的套接字，我们就需要端口号来区分不同的套接字。
计算机中一般配有$NIC$（$Network Interface Card$，网络接口卡）数据传输设备。通过$NIC$可以传递$IP$和分配端口号，操作系统会参考该端口号把数据传给相应端口的套接字。
端口号一般由$16$位构成，可分配的端口号范围是$0-65535$。但$0-1023$是知名端口（$Well-known PROT$），一般分给特定应用程序，应该要分配此范围之外的值。另外这里还有个特殊情况，$TCP$和$UDP$可以重复使用一个端口，但是一个端口最多只能有一个$TCP$和$UDP$套接字。
总结：数据传输目标地址必须包括IP地址和端口号数据才能被传输到最终的应用程序套接字。

表示IPv4地址的结构体#

该结构体会作为地址信息传输给$bind$函数。

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struct sockaddr_in{
2
    sa_family_t     sin_family;    //地址族（Address Family）
3
    uint16_t        sin_port;      //16位TCP/UDP端口号
4
    struct in_addr  sin_addr;      //32位IP地址
5
    char            sin_zero[8];   //不使用
6
};

该结构体提到的另外一个结构体$in\_addr$定义如下，它用来存放32位IP地址。

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struct in_addr{
2
    In_addr_t       s_addr;        //32位IPv4地址
3
};

这里面的一些数据类型可以参考一下POSIX(Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口)。它是为$UNIX$系列操作系统设立的标准。

额外定义这写数据类型的原因同样是为了保证扩展性。

结构体sockaddr_in的成员分析#

成员family，也就是地址族。

成员sin_port以网络字节序保存$16$位端口号。
成员sin_addr以网络字节序保存$32$位$IP$地址信息，数据类型为前面的$in\_addr$，其实也就是$uint32\_t$。
成员sin_zero无特殊含义，只是为使结构体$sockaddr\_in$的大小与$sockaddr$结构体保持一致。
从之前的代码也可以看出，$sockaddr\_in$结构体变量的地址将以如下的方式传递给$bind$函数。

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struct sockaddr_in serv_addr;
2
....
3
if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
4
    error_handling("bind() error");
5
....

不过实际上$bind$函数的第二个参数期望得到$sockaddr$结构体的变量地址，包括地址族，端口号，$IP$地址等。

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struct sockaddr{
2
    sa_family_t sin_family;     //地址族（Adress Family）
3
    char        sa_data[14];    //地址信息
4
};

此结构体成员中$sa\_data$保存的地址需要保存$IP$地址和端口号，剩余部分应该填充$0$。因而我们引入了$sockaddr\_in$来生成符合$bind$函数要求的字节流，最后转化为$sockaddr$型的结构体，再传递给$bind$函数即可。

字节序(Order)与网络字节序#

不同$CPU$向内存中保存数据的方式有两种：
大端序（$Big Endian$）：高位字节存放到低位地址。
小端序（$Little Endian$）：高位字节存放到高位地址。
拿整数$0x12345678$举个例子：

因此，代表$CPU$数据保存方式的主机字节序(Host By Order)在不同$CPU$之间也各不相同。
为了统一在传输过程中的字节序保证数据正确传输，我们在用网络传输数据的时候统一使用大端序，即网络字节序(Network Byte Order)。

字节序转换(Endian Conversions)#

以下为一些帮助转换字节序的函数：

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unsigned short htons(unsigned short);
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unsigned short ntohs(unsigned short);
3
unsigned long htonl(unsigned long);
4
unsigned long ntohl(unsigned long);

我们可以通过函数名了解它们的功能：
$htons$的$h$代表主机($host$)字节序，$htons$的$n$代表网络($network$)字节序。
$s$代表$short$($2$个字节)，$l$指的是$long$($Linux$里面$long$类型占用$4$个字节)。

将字符串信息转换为网络字节序的整数型#

$sockaddr_in$中保存地址信息的成员为$32$位整数型。但我们的$IP$地址一般是用点分十进制表示法(Dotted Decimal Notation)，比如说$201.211.214.36$。不过我们有将地址字符串转化为大端序整数的函数：

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#include <arpa/inet.h>
2

3
in_addr_t inet_addr(const char * string);
4
//成功时返回32位大端序整数型值，失败是返回INADDR_NONE。

inet_aton函数与inet_addr函数在功能上完全相同，也将字符串形式$IP$地址转化为$32$位网络字节序整数并返回。只不过该函数还利用了in_addr结构体，且使用频率更高。

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#include <arpa/inet.h>
2

3
//string：需要转换的IP地址信息字符串地址，addr：将保存转换信息结果的in_addr结构体变量地址值
4
int inet_aton(const char * string, struct in_addr * addr);
5
//成功时返回1(true)，失败时返回0(false)。

若要调用inet_addr函数，需将转换后的IP地址信息代人sockaddr_in结构体中声明的in_addr结构体变量。而inet_aton函数会自动把结果填入该结构体变量，不需要此过程。
然后还有一个相反的inet_aton函数，它可以把网络字节序整数型$IP$地址转换成我们熟悉的字符串。

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#include <arpa/inet.h>
2

3
char * inet_ntoa(struct in_addr adr);
4
//成功时返回转换的字符串地址值，失败时返回-1。

这里要注意一点，由于这里的返回值是$char$指针，也就是系统自动分配了内存来存储这个字符串，当我们下次调用这个函数的时候就会覆盖掉上一个字符串，如果需要保存字符串就要在第二次调用前复制这个字符串。

网络地址初始化#

套接字创建过程中常见的网络地址信息初始化方法。

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struct sockaddr_in addr;
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char * serv_ip = "211.217.168.13";          //声明IP地址字符串
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char * serv_port = "9190";                  //声明端口号字符串
4
memset(&addr, 0, sizeof(addr));             //结构体变量addr的所有成员初始化为0
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addr.sin_family = AF_INET;                  //指定地址族
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addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serv_ip);  //基于字符串的IP地址初始化
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addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));     //基于字符串的端口号初始化

客户端地址信息初始化#

上述网络地址的初始化主要针对服务器端，给套接字分配$IP$地址和端口号的原因主要是要传输数据，而对于客户端来说则是要连接到服务器相应的网络地址。所以服务器端的准备工作是通过$bind$函数完成的，而客户端主要是通过$connect$函数完成的。因此，函数调用前需准备的地址值类型也不同。服务器端声明$sockaddr\_in$结构体变量，将其初始化为赋予服务器端$IP$和套接字的端口号，然后调用$bind$函数。而客户端则声明$sockaddr\_in$结构体，并初始化为要与之连接的服务器端套接字的$IP$和端口号，然后调用$connect$函数。

INADDR_ANY#

每次创建服务器端套接字都要输入$IP$地址会有些繁琐，此时可如下初始化地址信息：

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struct sockaddr_in addr;
2
char * serv_addr = "9190";
3
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
4
addr.sin_family = AF_INET;
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addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
6
add.sin_port = htons(atoi(serv_addr));

这里利用常数INADDR_ANY自东分配服务器端的$IP$地址，可自动获取运行服务器端的计算机$IP$地址。若同一计算机中已分配多个$IP$地址(多宿主($Multi-homed$)计算机，一般路由器属于这一类)，则只要端口号一致，就可以从不同$IP$接收数据。
这里还要提到一点，$127.0.0.1$是回送地址(loopback address)，指的是计算机自身$IP$地址，所以在第一章的示例中目标服务器的地址就是这个，如果是在不同计算机就需要输入正确的服务器$IP$地址。

向套接字分配网络地址#

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#include <sys/socket.h>
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3
//sockfd：对应的文件描述符，myaddr：存有地址信息的结构体变量地址，addrlen：第二个结构体变量的长度
4
int bind(int sockfd, struct sockaddr * myaddr, socklen_t addrlen);
5
//成功时返回0，失败时返回-1。

下面给出服务器端常见套接字初始化过程：

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int serv_sock;
2
struct sockaddr_in serv_addr;
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char * serv_port = "9190";
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/* 创建服务器端套接字(监听套接字) */
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serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
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/* 地址信息初始化 */
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memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
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serv_addr.sin_family = AF_INET;
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serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
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serv_addr.sin_port = htons(atoi(serv_port));
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/* 分配地址信息 */
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bind(serv_sock, (struct sockaddr * )&serv_addr, sizeof(serv_addr));
16
....

WSAStringToAddress & WSAAddressToString#

此外$Windows$还有两个特殊的转换函数，不过它们在功能上与$inet\_ntoa$和$inet\_addr$完全相同，但优点在于支持多种协议，在$IPv4$和$IPv6$中均适用。

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#include <winsock2.h>
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INT WSAStringToAddress(
4
    LPTSTR AddressString, INT AddressFamily, LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
5
    LPSOCKADDR lpAddress, LPINT lpAddressLength
6
);
7
//成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。
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//AddressString                     含有IP和端口号的字符串地址值。
9
//AddressFamily                     第一个参数中地址所属的地址族信息。
10
//IpProtocolInfo                    设置协议提供者(Provider) ，默认为NULL。
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//IpAddress                         保存地址信息的结构体变量地址值。
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//IpAddressLength                   第四个参数中传递的结构体长度所在的变量地址值。

$WSAAddressToString$与$WSAStringToAddress$在功能上正好相反，它将结构体中的地址信息转换成字符串形式。

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#include <winsock2.h>
2

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INT WSAAddressToString(
4
    LPSOCKADDR lpsaAddress, DWORD dwAddressLength,
5
    LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo, LPSTR lpszAddressString,
6
    LPDWORD lpdwAddressStringLength
7
);
8
//成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。
9
//IpsaAddress                       需要转换的地址信息结构体变量地址值
10
//dwAddressLength                   第一个参数中结构体的长度。
11
//IpProtocolInfo                    设置协议提供者(Provider)，默认为NULL。
12
//IpszAddressString                 保存转换结果的字符串地址值。
13
//IpdwAddressStringLength           第四个参数中存有地址信息的字符串长度。

$Windows$中出现的$SOCKADDR\_IN$和$linux$的$sockaddr\_in$本质一样，只是用了$typedef$声明。

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typedef struct sockaddr_in SOCKADDR_IN;