结构体sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6之间的区别和联系

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前言

最近在学习网络相关的知识,虽然之前代码写了不少,但是长时间不写难免会忘记,简单地复习了一下IO多路复用的方式,对比了解了一下epoll模式和select模式的异同,不过写代码的时候发现,这个socket连接中有几个结构还是挺让人头大的,用着用着突然就强转成其他的类型了,加上年前改了半天IPv6的连接,这几个结构体更加混乱,所以今天角色放到一起,从源码的角度看一下sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6这三个结构体之间的联系,以及为什么有些情况可以直接强转。

代码分析

  1. 看一下这三个结构的定义,先说明一下版本,操作系统为CentOS,头文件版本应该挺古老了,在’/usr/include/netinet/in.h’ 中发现版权信息:Copyright (C) 1991, 1992, 1994-2001, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010,看着很古老,但之后的版本应该没有改动很大吧,反正不太清楚,我们就分析当前这一个版本吧。

    /* /usr/include/bits/socket.h */
    /* Structure describing a generic socket address.  */
    struct sockaddr
    {
     __SOCKADDR_COMMON (sa_);    /* Common data: address family and length.  */
     char sa_data[14];           /* Address data.  */
    };
    
    /* /usr/include/netinet/in.h */
    /* Structure describing an Internet socket address.  */
    struct sockaddr_in
    {
     __SOCKADDR_COMMON (sin_);
     in_port_t sin_port;         /* Port number.  */
     struct in_addr sin_addr;    /* Internet address.  */
    
     /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
     unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
                __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                sizeof (in_port_t) -
                sizeof (struct in_addr)];
    };
    
    /* /usr/include/netinet/in.h */
    
    #ifndef __USE_KERNEL_IPV6_DEFS
    
    /* Ditto, for IPv6.  */
    struct sockaddr_in6
    {
     __SOCKADDR_COMMON (sin6_);
     in_port_t sin6_port;        /* Transport layer port # */
     uint32_t sin6_flowinfo;     /* IPv6 flow information */
     struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6 address */
     uint32_t sin6_scope_id;     /* IPv6 scope-id */
    };
    
    #endif /* !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS */
    
    
  2. 看到3个结构的定义想到了什么?只是看着有点像吧,真正的区别我们往下看,其中3个结构里都包含了

    __SOCKADDR_COMMON

    这个宏,我们先把它的定义找到,最后在’usr/inlcue/bits/sockaddr.h’中找到如下代码,

    /* POSIX.1g specifies this type name for the `sa_family' member.  */
    typedef unsigned short int sa_family_t;
    
    /* This macro is used to declare the initial common members
    of the data types used for socket addresses, `struct sockaddr',
    `struct sockaddr_in', `struct sockaddr_un', etc.  */
    
    
    #define __SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \
    
    sa_family_t sa_prefix##family
    
    
    #define __SOCKADDR_COMMON_SIZE  (sizeof (unsigned short int))
    

    由此我们知道,这三个结构的第一个字段都是一个

    unsigned short int

    类型,只不过用宏来定义了三个不同的名字,至此第一个结构就清楚了,在一般环境下(short一般为2个字节),整个结构占用16个字节,变量

    sa_family

    占用2个字节,变量

    sa_data

    保留14个字节用于保存IP地址信息。

  3. 接着我们发现第二个结构中还有

    in_port_t



    struct in_addr

    两个类型没有定义,继续找下去吧,在文件

    ‘/usr/include/netinet/in.h’发现以下定义

    /* Type to represent a port.  */
    typedef uint16_t in_port_t;
    
    /* Internet address.  */
    typedef uint32_t in_addr_t;
    struct in_addr
    {
     in_addr_t s_addr;
    };

    这么看来

    sockaddr_in

    这个结构也不复杂,除了一开始的2个字节表示sin_family,然后是2个字节的变量

    sin_port

    表示端口,接着是4个字节的变量

    sin_addr

    表示IP地址,最后是8个字节变量

    sin_zero

    填充尾部,用来与结构

    sockaddr

    对齐

  4. 现在我们该分析结构

    sockaddr_in6

    了,这里边只有一个未知的结构

    in6_addr

    ,经过寻找发现其定义也在’/usr/include/netinet/in.h’中

    
    #ifndef __USE_KERNEL_IPV6_DEFS
    
    /* IPv6 address */
    struct in6_addr
    {
     union
     {
         uint8_t __u6_addr8[16];
    
    #if defined __USE_MISC || defined __USE_GNU
    
         uint16_t __u6_addr16[8];
         uint32_t __u6_addr32[4];
    
    #endif
    
     } __in6_u;
    
    #define s6_addr         __in6_u.__u6_addr8
    
    
    #if defined __USE_MISC || defined __USE_GNU
    
    
    # define s6_addr16      __in6_u.__u6_addr16
    
    
    # define s6_addr32      __in6_u.__u6_addr32
    
    
    #endif
    
    };
    
    #endif /* !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS */
    

    这个结构看起来有点乱,但是如果抛开其中的预编译选项,其实就是8个字节,用来表示IPV6版本的IP地址,一共128位,只不过划分字节的段数有些不同,每段字节多一点那么段数就少一点,反义亦然。

  5. 那接下来我们整理一下,为了看的清楚,部分结构使用伪代码,不能通过编译,主要是方便对比,整理如下

    /* Structure describing a generic socket address.  */
    struct sockaddr
    {
     uint16 sa_family;           /* Common data: address family and length.  */
     char sa_data[14];           /* Address data.  */
    };
    
    /* Structure describing an Internet socket address.  */
    struct sockaddr_in
    {
     uint16 sin_family;          /* Address family AF_INET */ 
     uint16 sin_port;            /* Port number.  */
     uint32 sin_addr.s_addr;     /* Internet address.  */
     unsigned char sin_zero[8];  /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    };
    
    /* Ditto, for IPv6.  */
    struct sockaddr_in6
    {
     uint16 sin6_family;         /* Address family AF_INET6 */
     uint16 sin6_port;           /* Transport layer port # */
     uint32 sin6_flowinfo;       /* IPv6 flow information */
     uint8  sin6_addr[16];       /* IPv6 address */
     uint32 sin6_scope_id;       /* IPv6 scope-id */
    };

    这么来看是不是就清晰多了,由此我们发现结构

    sockaddr



    sockaddr_in

    字节数完全相同,都是16个字节,所以可以直接强转,但是结构

    sockaddr_in6

    有28个字节,为什么在使用的时候也是直接将地址强制转化成(sockaddr*)类型呢?

强转的可能性

其实

sockaddr



sockaddr_in

之间的转化很容易理解,因为他们开头一样,内存大小也一样,但是

sockaddr



sockaddr_in6

之间的转换就有点让人搞不懂了,其实你有可能被结构所占的内存迷惑了,这几个结构在作为参数时基本上都是以指针的形式传入的,我们拿函数

bind()

为例,这个函数一共接收三个参数,第一个为监听的文件描述符,第二个参数是

sockaddr*

类型,第三个参数是传入指针原结构的内存大小,所以有了后两个信息,无所谓原结构怎么变化,因为他们的头都是一样的,也就是

uint16 sa_family

,那么我们也能根据这个头做处理,原本我没有看过

bind()

函数的源代码,但是可以猜一下:

int bind(int socket_fd, sockaddr* p_addr, int add_size)
{
    if (p_addr->sa_family == AF_INET)
    {
        sockaddr_in* p_addr_in = (sockaddr_in*)p_addr;
        //...
    }
    else if (p_addr->sa_family == AF_INET6)
    {
        sockaddr_in6* p_addr_in = (sockaddr_in6*)p_addr;
        //...
    }
    else
    {
        //...
    }
}

由以上代码完全可以实现IPv4和IPv6的版本区分,所以不需要纠结内存大小的不同

总结

  1. 通过等价替换的方式我们可以更好的了解

    sockaddr



    sockaddr_in



    sockaddr_in6

    之间的异同。
  2. 网路接口函数针对于IPv4和IPv6虽然有不同的结构,但是接口基本相同,主要是为了用户(开发者)使用方便吧。
  3. 有时间可以看一下

    bind()



    accept()

    等函数,看看其中对于结构的使用到底是怎样的。



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