TCP IP ネットワークプログラミング (3) アドレスファミリーとデータシーケンス

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ソケットに割り当てられたIPアドレスとポート番号

ウェブサイトアドレス

IP アドレスは、次の 2 つのカテゴリに分類されます。

IPv4 4バイトアドレスファミリー
IPv6 16 バイトのアドレスファミリ

IPv4 と IPv6 の違いは主に IP アドレスで使用されるバイト数であり、現在一般的なアドレスファミリは IPv4 ですが、IPv6 は IP アドレス枯渇の問題に対処するために提案された規格であり、現在は IPv4 が主に使用されています。

IPv4規格の4バイトのIPアドレスは、ネットワークアドレスとホストアドレスに分かれ、A、B、C、Dなどの種類に分かれます。

A类		网络ID 主机ID 主机ID 主机ID
B类		网络ID 网络ID 主机ID 主机ID
C类		网络ID 网络ID 网络ID 主机ID
D类		网络ID 网络ID 网络ID 网络ID （多播IP地址）

ネットワークアドレスの分類とホストアドレスの境界

ネットワークアドレスが占めるバイト数は、IP アドレスの最初のバイトによって決まります。

クラス A アドレスの最初のバイト範囲: 0 ～ 127
クラス B アドレスの最初のバイト範囲: 128 ～ 191
クラス C アドレスの最初のバイト範囲: 191 ～ 223

別の表現方法もあるよ

クラス A アドレスは 0 で始まります
クラス B アドレスは 10 で始まります
クラス C アドレスは 110 で始まります

住所情報の表現

IPv4アドレスを表す構造体

struct sockaddr_in
{
    sa_family_t     sin_family;  //地址族
    uint16_t        sin_port;    //16位TCP/UDP端口号
    struct in_addr  sin_addr;    //32位IP地址
    char            sin_zero[8]; //不使用
};

この構造体は、次のように定義された別の構造体 in_addr について言及しています。

struct in_addr
{
    in_addr_t        s_addr;     //32位IPv4地址
}

上記 2 つの構造体にはいくつかのデータ型が含まれていますが、uint16_t、in_addr_t およびその他の型については、POSIX を参照してください。POSIX は UNIX システムを動作させるための標準です

POSIXで定義されているデータ型

データ型名	データ型の説明	宣言ヘッダーファイル
int8_t	符号付き 8 ビット整数	sys/types.h
uint8_t	符号なし 8 ビット整数	sys/types.h
int16_t	符号付き 16 ビット int	sys/types.h
uint16_t	符号なし 16 ビット int	sys/types.h
int32_t	符号付き 32 ビット int	sys/types.h
uint32_t	符号なし 32 ビット int	sys/types.h
sa_family_t	アドレスファミリー	sys/socket.h
ソックレン	length(構造体の長さ)	sys/socket.h
in_addr_t	IPアドレス、uint32_t	ネットネット/in.h
in_port_t	ポート番号、uint16_t	ネットネット/in.h

構造体 sockaddr_in のメンバー分析

メンバー sin_family

各プロトコルファミリは異なるプロトコルファミリに適用できます。たとえば、IPv4 は 4 バイトのアドレスファミリを使用し、IPv6 は 16 バイトのアドレスファミリを使用します。

アドレスファミリー

アドレスファミリー	意味
OF_INET	IPv4 ネットワークプロトコルで使用されるアドレスファミリ
AF_INET6	IPv6 ネットワークプロトコルで使用されるアドレスファミリ
AF_LOCAL	ローカル通信で使用される UNIX プロトコルのアドレスファミリ

AF_LOCAL は、複数のアドレスファミリがあることを示すために追加されました。

メンバー sin_port

このメンバーには 16 ビットのポート番号が格納されますが、重要なのは、ネットワークバイトオーダーで格納されていることです。

メンバー sin_addr

このメンバーは、32 ビットの IP アドレス情報をネットワークバイトオーダーで保存し、構造体 in_addr を管理します。

メンバー sin_zero

特に意味はありません。構造体 sockaddr_in のサイズを sockaddr 構造体の記憶域と一致させるために挿入されるメンバーです。必ず 0 で埋めてください。

ネットワークのバイトオーダーとアドレス変換

バイトオーダーとネットワークバイトオーダー

CPU がデータを保存する方法は 2 つあります。これは、CPU がデータを解析する方法も 2 つあることを意味します。

ビッグエンディアン: 上位バイトが下位アドレスに格納されます。
リトルエンディアン: 上位バイトは上位アドレスに格納されます。

ネットワーク上でデータを送信する際の統一方式を取り決めること、これをネットワークバイトオーダーと呼び、ビッグエンディアンオーダーに統一します。

要約すると、データ配列をネットワーク経由で送信する前にビッグエンディアン形式に転送します。データを受信するとき、すべてのコンピュータはデータがネットワークバイトオーダー形式であることを認識する必要があります。データをリトルエンディアンシステムで送信する場合は、ビッグエンディアン配列に変換する必要があります。

バイトオーダー変換

sockadr_in 構造体を埋める前にデータをネットワークバイトオーダーに変換し、バイトオーダーの変換を支援する関数を導入します。

unsigned short htons(unsigned short)
unsigned short ntohs(unsigned short)
unsigned long htonl(unsigned short)
unsined long ntohl(unsigned long)

関数名の意味

htons の h はホストのバイトオーダーを表します
hton の n はネットワークのバイトオーダーを表します
htons の s は短いことを意味します
htons の l は、long を表します (Linux の long 型は 4 バイトを占めます)。

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	unsigned short host_port=0x1234;
	unsigned short net_port;
	unsigned long host_addr=0x12345678;
	unsigned long 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);
	return 0;
}

以下はリトルエンディアン CPU で実行した結果です。ビッグエンディアン CPU で実行している場合、変数値は変更されません。Intel と AMD シリーズの CPU は両方ともリトルエンディアン標準を採用しているため、ほとんどの友人は同様の実行結果を得るでしょう。

gcc endian_conv.c -o conv
./conv
输出：
Host ordered port : 0x1234
Network ordered port : 0x3412
Hostordered address : 0x12345678
Network ordered address : 0x78563412

ネットワークアドレスの初期化と割り当て

文字列情報をネットワークバイトオーダー整数型に変換する

IP アドレスの表現では、整数データ表現ではなく、ドット付き 10 進表記がよく知られています。幸いなことに、文字列形式の IP アドレスを 32 ビット整数データに変換し、型を変換しながらネットワークバイトオーダー変換を実行するのに役立つ関数があります。

#include<arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char * string);
		//成功时返回32位大端序整数型值，失败时返回INADDR_NONE。

この関数の呼び出し処理

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	char *addr1="127.212.124.78";
	char *addr2="127.212.124.256";

	unsigned long conv_addr=inet_addr(addr1);
	if(conv_addr==INADDR_NONE)
		printf("Error occured! \n");
	else
		printf("Network ordered integer addr: %#lx \n", conv_addr);
	
	conv_addr=inet_addr(addr2);
	if(conv_addr==INADDR_NONE)
		printf("Error occureded \n");
	else
		printf("Network ordered integer addr: %#lx \n\n", conv_addr);
	return 0;
}

この結果から、inet_addr 関数は IP アドレスを 32 ビット整数型に変換できるだけでなく、無効な IP アドレスを検出できることがわかります。

inet_aton 関数は、inet_addr 関数と機能的に同一であり、文字列 IP アドレスを 32 ビットネットワークバイトオーダーの整数に変換して返します。違いは、この関数は in_addr 構造体を使用し、より頻繁に使用されることです。

#include<arpa/inet.h>
int inet_aton(const char * string, struct in_addr * addr);
		成功时返回1，失败时返回0
		参数1：string，含有需转换的IP地址信息的字符串地址值。
		参数2：addr，将保存转换结果的in_addr结构体变量的地址值。

この関数の呼び出し処理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	char *addr="127.232.124.79";
	struct sockaddr_in addr_inet;
	
	if(!inet_aton(addr, &addr_inet.sin_addr))
		error_handling("Conversion error");
	else
		printf("Network ordered integer addr: %#x \n", addr_inet.sin_addr.s_addr);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

inet_addr 関数を呼び出して、変換された IP アドレス情報を返し、それを sockaddr_in 構造体で宣言された in_addr 構造体変数に保存します。inet_aton 関数では、結果が構造体変数に自動的に格納されるため、このプロセスは必要ありません。

inet_aton() の逆に、ネットワークのバイトオーダーの整数 IP アドレスを使い慣れた文字列形式に変換できる関数もあります。

#include <arpa/inet.h>
char *inet_ntoa(struct in_addr adr);
	成功返回转换的字符串地址值，失败返回-1

この関数は、パラメータを通じて渡された整数の IP アドレスを文字列形式に変換して返します。
ただし、戻り値は char ポインタであり、文字列アドレスが返されるということは、文字列がメモリ空間に保存されたことを意味しますが、この関数はプログラマにメモリの割り当てを要求するのではなく、内部的にメモリを適用して保存することに注意してください。文字列。つまり、この関数が呼び出されると、情報はすぐに他のメモリ空間にコピーされなければなりません。再度 inet_ntoa 関数を呼び出すと、以前に保存した文字列情報が上書きされる可能性があるためです。
つまり、inet_ntoa 関数を再度呼び出す前に返された文字列アドレスは有効です。長期保存が必要な場合は、文字列を他のメモリ空間にコピーする必要があります。

この関数を呼び出す例を示します

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in addr1, addr2;
	char *str_ptr;
	char str_arr[20];
   
	addr1.sin_addr.s_addr=htonl(0x1020304);
	addr2.sin_addr.s_addr=htonl(0x1010101);
	
	str_ptr=inet_ntoa(addr1.sin_addr);
	strcpy(str_arr, str_ptr);
	printf("Dotted-Decimal notation1: %s \n", str_ptr);
	
	inet_ntoa(addr2.sin_addr);
	printf("Dotted-Decimal notation2: %s \n", str_ptr);
	printf("Dotted-Decimal notation3: %s \n", str_arr);
	return 0;
}

ネットワークアドレスの初期化

サーバー側のソケット作成時の一般的なネットワークアドレス情報の初期化方法は次のとおりです。

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

INADDR_ANY

アドレス情報の初期化

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

前の方法との最大の違いは、INADDR_ANY を使用してサーバー側 IP アドレスを割り当てると、サーバーを実行しているコンピューターの IP アドレスを自分で入力することなく自動的に取得できることです。また、同じコンピュータに複数のIPアドレスが割り当てられている場合、ポート番号が一致していれば、異なるIPアドレスからデータを受信することができます。

ソケットにネットワークアドレスを割り当てる

sockaddr_in 構造体の初期化方法については前に学習し、初期化されたアドレス情報をソケットに割り当てます。この操作はバインド関数が担当します

#include<sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr * myaddr, socklen_t addrlen);
	成功时返回0，失败时返回-1。
	参数1：sockfd，要分配地址信息（IP地址和端口号）的套接字文件描述符
	参数2：myaddr，存有地址信息的结构体变量地址值。
	参数3：addrlen，第二个结构体变量的长度。

この関数呼び出しが成功すると、2 番目のパラメータで指定されたアドレス情報が、最初のパラメータの対応するソケットに割り当てられます。

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

サーバー側のコード構造は上記の通りです

要約する

「TCP/IP ネットワークプログラミング」コラムの 3 回目の記事です。読者の皆様もぜひご購読ください。

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