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网络数据的大小端问题

不同 CPU 中,4 字节整数 1 在内存空间的存储方式是不同的。4 字节整数 1 可用 2 进制表示如下:

00000000 00000000 00000000 00000001

有些 CPU 以上面的顺序存储到内存,另外一些 CPU 则以倒序存储,如下所示:

00000001 00000000 00000000 00000000

若不考虑这些就收发数据会发生问题,因为保存顺序的不同意味着对接收数据的解析顺序也不同。

大端序和小端序

CPU 向内存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(高位字节在前)。
  • 小端序(Little Endian):高位字节存放到高位地址(低位字节在前)。

仅凭描述很难解释清楚,不妨来看一个实例。假设在 0x20 号开始的地址中保存 4 字节 int 型数据 0x12345678,大端序 CPU 保存方式如下图所示:
整数 0x12345678 的大端序字节表示
图1:整数 0x12345678 的大端序字节表示

对于大端序,最高位字节 0x12 存放到低位地址,最低位字节 0x78 存放到高位地址。小端序的保存方式如下图所示:
整数 0x12345678 的小端序字节表示
图2:整数 0x12345678 的小端序字节表示

不同 CPU 保存和解析数据的方式不同(主流的 Intel 系列 CPU 为小端序),小端序系统和大端序系统通信时会发生数据解析错误。因此在发送数据前,要将数据转换为统一的格式——网络字节序(Network Byte Order)。网络字节序统一为大端序。

主机 A 先把数据转换成大端序再进行网络传输,主机 B 收到数据后先转换为自己的格式再解析。

网络字节序转换函数

在《bind()和connect()函数:绑定套接字并建立连接》一节中讲解了 sockaddr_in 结构体,其中就用到了网络字节序转换函数,如下所示:
//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口号
htons() 用来将当前主机字节序转换为网络字节序,其中h代表主机(host)字节序,n代表网络(network)字节序,s代表short,htons 是 h、to、n、s 的组合,可以理解为”将 short 型数据从当前主机字节序转换为网络字节序“。

常见的网络字节转换函数有:
  • htons():host to network short,将 short 类型数据从主机字节序转换为网络字节序。
  • ntohs():network to host short,将 short 类型数据从网络字节序转换为主机字节序。
  • htonl():host to network long,将 long 类型数据从主机字节序转换为网络字节序。
  • ntohl():network to host long,将 long 类型数据从网络字节序转换为主机字节序。

通常,以s为后缀的函数中,s代表 2 个字节 short,因此用于端口号转换;以l为后缀的函数中,l代表 4 个字节的 long,因此用于 IP 地址转换。

举例说明上述函数的调用过程:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

int main(){
    unsigned short host_port = 0x1234, net_port;
    unsigned long host_addr = 0x12345678, net_addr;

    net_port = htons(host_port);
    net_addr = htonl(host_addr);

    printf("Host ordered port: %#x\n", host_port);
    printf("Network ordered port: %#x\n", net_port);
    printf("Host ordered address: %#lx\n", host_addr);
    printf("Network ordered address: %#lx\n", net_addr);

    system("pause");
    return 0;
}
运行结果:
Host ordered port: 0x1234
Network ordered port: 0x3412
Host ordered address: 0x12345678
Network ordered address: 0x78563412

另外需要说明的是,sockaddr_in 中保存 IP 地址的成员为 32 位整数,而我们熟悉的是点分十进制表示法,例如 127.0.0.1,它是一个字符串,因此为了分配 IP 地址,需要将字符串转换为 4 字节整数。

inet_addr() 函数可以完成这种转换。inet_addr() 除了将字符串转换为 32 位整数,同时还进行网络字节序转换。请看下面的代码:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

int main(){
    char *addr1 = "1.2.3.4";
    char *addr2 = "1.2.3.256";

    unsigned long conv_addr = inet_addr(addr1);
    if(conv_addr == INADDR_NONE){
        puts("Error occured!");
    }else{
        printf("Network ordered integer addr: %#lx\n", conv_addr);
    }

    conv_addr = inet_addr(addr2);
    if(conv_addr == INADDR_NONE){
        puts("Error occured!");
    }else{
        printf("Network ordered integer addr: %#lx\n", conv_addr);
    }

    system("pause");
    return 0;
}
运行结果:
Network ordered integer addr: 0x4030201
Error occured!

从运行结果可以看出,inet_addr() 不仅可以把 IP 地址转换为 32 位整数,还可以检测无效 IP 地址。

注意:为 sockaddr_in 成员赋值时需要显式地将主机字节序转换为网络字节序,而通过 write()/send() 发送数据时 TCP 协议会自动转换为网络字节序,不需要再调用相应的函数。

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