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        • 網絡數據傳輸時的大小端問題

        • 2019-11-13 21:02 來源:未知

        不同 CPU 中,4 字節整數 1 在內存空間的存儲方式是不同的。4 字節整數 1 可用 2 進制表示如下:

        00000000 00000000 00000000 00000001

        有些 CPU 以上面的順序存儲到內存,另外一些 CPU 則以倒序存儲,如下所示:

        00000001 00000000 00000000 00000000

        若不考慮這些就收發數據會發生問題,因為保存順序的不同意味著對接收數據的解析順序也不同。

        大端序和小端序

        CPU 向內存保存數據的方式有兩種:

        • 大端序(Big Endian):高位字節存放到低位地址(高位字節在前)。
        • 小端序(Little Endian):高位字節存放到高位地址(低位字節在前)。


        僅憑描述很難解釋清楚,不妨來看一個實例。假設在 0x20 號開始的地址中保存 4 字節 int 型數據 0x12345678,大端序 CPU 保存方式如下圖所示:

        整數 0x12345678 的大端序字節表示
        圖1:整數 0x12345678 的大端序字節表示


        對于大端序,最高位字節 0x12 存放到低位地址,最低位字節 0x78 存放到高位地址。小端序的保存方式如下圖所示:

        整數 0x12345678 的小端序字節表示
        圖2:整數 0x12345678 的小端序字節表示


        不同 CPU 保存和解析數據的方式不同(主流的 Intel 系列 CPU 為小端序),小端序系統和大端序系統通信時會發生數據解析錯誤。因此在發送數據前,要將數據轉換為統一的格式——網絡字節序(Network Byte Order)。網絡字節序統一為大端序。

        主機 A 先把數據轉換成大端序再進行網絡傳輸,主機 B 收到數據后先轉換為自己的格式再解析。

        網絡字節序轉換函數

        在《bind()和connect()函數:綁定套接字并建立連接》一節中講解了 sockaddr_in 結構體,其中就用到了網絡字節序轉換函數,如下所示:

         
        1. //創建sockaddr_in結構體變量
        2. struct sockaddr_in serv_addr;
        3. memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每個字節都用0填充
        4. serv_addr.sin_family = AF_INET; //使用IPv4地址
        5. serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具體的IP地址
        6. serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口號

        htons() 用來將當前主機字節序轉換為網絡字節序,其中h代表主機(host)字節序,n代表網絡(network)字節序,s代表short,htons 是 h、to、n、s 的組合,可以理解為”將 short 型數據從當前主機字節序轉換為網絡字節序“。

        常見的網絡字節轉換函數有:

        • htons():host to network short,將 short 類型數據從主機字節序轉換為網絡字節序。
        • ntohs():network to host short,將 short 類型數據從網絡字節序轉換為主機字節序。
        • htonl():host to network long,將 long 類型數據從主機字節序轉換為網絡字節序。
        • ntohl():network to host long,將 long 類型數據從網絡字節序轉換為主機字節序。


        通常,以s為后綴的函數中,s代表 2 個字節 short,因此用于端口號轉換;以l為后綴的函數中,l代表 4 個字節的 long,因此用于 IP 地址轉換。

        舉例說明上述函數的調用過程:

         
        1. #include <stdio.h>
        2. #include <stdlib.h>
        3. #include <WinSock2.h>
        4. #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
        5.  
        6. int main(){
        7. unsigned short host_port = 0x1234, net_port;
        8. unsigned long host_addr = 0x12345678, net_addr;
        9.  
        10. net_port = htons(host_port);
        11. net_addr = htonl(host_addr);
        12.  
        13. printf("Host ordered port: %#x\n", host_port);
        14. printf("Network ordered port: %#x\n", net_port);
        15. printf("Host ordered address: %#lx\n", host_addr);
        16. printf("Network ordered address: %#lx\n", net_addr);
        17.  
        18. system("pause");
        19. return 0;
        20. }

        運行結果:
        Host ordered port: 0x1234
        Network ordered port: 0x3412
        Host ordered address: 0x12345678
        Network ordered address: 0x78563412

        另外需要說明的是,sockaddr_in 中保存 IP 地址的成員為 32 位整數,而我們熟悉的是點分十進制表示法,例如 127.0.0.1,它是一個字符串,因此為了分配 IP 地址,需要將字符串轉換為 4 字節整數。

        inet_addr() 函數可以完成這種轉換。inet_addr() 除了將字符串轉換為 32 位整數,同時還進行網絡字節序轉換。請看下面的代碼:

         
        1. #include <stdio.h>
        2. #include <stdlib.h>
        3. #include <WinSock2.h>
        4. #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
        5.  
        6. int main(){
        7. char *addr1 = "1.2.3.4";
        8. char *addr2 = "1.2.3.256";
        9.  
        10. unsigned long conv_addr = inet_addr(addr1);
        11. if(conv_addr == INADDR_NONE){
        12. puts("Error occured!");
        13. }else{
        14. printf("Network ordered integer addr: %#lx\n", conv_addr);
        15. }
        16.  
        17. conv_addr = inet_addr(addr2);
        18. if(conv_addr == INADDR_NONE){
        19. puts("Error occured!");
        20. }else{
        21. printf("Network ordered integer addr: %#lx\n", conv_addr);
        22. }
        23.  
        24. system("pause");
        25. return 0;
        26. }

        運行結果:
        Network ordered integer addr: 0x4030201
        Error occured!

        從運行結果可以看出,inet_addr() 不僅可以把 IP 地址轉換為 32 位整數,還可以檢測無效 IP 地址。

        注意:為 sockaddr_in 成員賦值時需要顯式地將主機字節序轉換為網絡字節序,而通過 write()/send() 發送數據時 TCP 協議會自動轉換為網絡字節序,不需要再調用相應的函數。

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