网络字节顺序转换

时间:2022-12-13 23:21:25

做过socket的都知道网络字节转换的事情,网络中传输的数据是纯字节流,没有类型信息,从低地址开始传递;网络字节序通常为大端的,即先传递高字节,因此和大端的本地字节存储顺序一致,和小端的则截然相反。为了数据的一致性,就要把本地的数据转换成网络上使用的格式,然后发送出去,接收的时候也是一样的,经过转换然后才去使用这些数据。基本的库函数中提供了这样的可以进行字节转换的函数,如和htons( ) htonl( ) ntohs( ) ntohl( ),这里n表示network,h表示host,htons( ) htonl( )用于本地字节向网络字节转换的场合,s表示short,即对2字节操作,l表示long即对4字节操作。同样ntohs( )ntohl( )用于网络字节向本地格式转换的场合。随着c99标准的推行,我们伟大的c中增加了新的类型long long int ,unsigned long long int,都是64位的,怎么办?不转肯定是不行,就得自己想办法把它转了。当然有很多方法,我这里想使用一种类比的解决方法,看看如何举一反三。

 

一、字节序定义
字节序,顾名思义字节的顺序,再多说两句就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序。其实大部分人在实际的开发中都很少会直接和字节序打交道。唯有在跨平台以及网络程序中字节序才是一个应该被考虑的问题。一次Sun SPARC到Intel X86的平台移植让我们的程序遭遇了“字节序问题”。

 

在所有的介绍字节序的文章中都会提到字节序分为两类:Big-Endian和Little-Endian。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下:

a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。

c) 网络字节序:TCP/IP各层协议将字节序定义为Big-Endian,因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

 

二、高/低地址与高低字节
首先我们要知道我们C程序映像中内存的空间布局情况:在《C专家编程》中或者《Unix环境高级编程》中有关于内存空间布局情况的说明,大致如下图:

----------------------- 最高内存地址 0xffffffff

。。。。。。

 | 栈底

 .

 .                       栈

  栈顶

-----------------------

 |

 |

NULL (空洞)

/|/

-----------------------

                          堆

-----------------------

未初始化的数据

----------------------         (统称数据段)

初始化的数据

-----------------------

正文段(代码段)

----------------------- 最低内存地址 0x00000000

以上图为例如果我们在栈上分配一个unsigned char buf[4],那么这个数组变量在栈上是如何布局的呢?看下图:

栈底 (高地址)

----------

buf[3]

buf[2]

buf[1]

buf[0]

----------

栈顶 (低地址)

 

现在我们弄清了高低地址,接着我来弄清高/低字节,如果我们有一个32位无符号整型0x12345678(呵呵,恰好是把上面的那4个字节buf看成一个整型),那么高位是什么,低位又是什么呢?其实很简单。在十进制中我们都说靠左边的是高位,靠右边的是低位,在其他进制也是如此。就拿0x12345678来说,从高位到低位的字节依次是0x12、0x34、0x56和0x78。

高低地址和高低字节都弄清了。我们再来回顾一下Big-Endian和Little-Endian的定义,并用图示说明两种字节序:

以unsigned int value = 0x12345678为例,分别看看在两种字节序下其存储情况,我们可以用unsigned char buf[4]来表示value:

Big-Endian: 低地址存放高位,如下图:

栈底 (高地址)

---------------

buf[3] (0x78) -- 低位

buf[2] (0x56)

buf[1] (0x34)

buf[0] (0x12) -- 高位

---------------

栈顶 (低地址)

Little-Endian: 低地址存放低位,如下图:

栈底 (高地址)

---------------

buf[3] (0x12) -- 高位

buf[2] (0x34)

buf[1] (0x56)

buf[0] (0x78) -- 低位

---------------

栈顶 (低地址)

 

在现有的平台上Intel的X86采用的是Little-Endian,而像Sun的SPARC采用的就是Big-Endian。

 

三、网络字节序的转换
假设对于little endian的IA-32架构上面的Linux,首先考虑网络字节转换的结果与原来有什么不同,如 int a = 0x12345678,b = htnl(a),那么就应该是0x78563412。如果是 short c = 0x1234,short d = 0x5678,e = htons(c),f = htons(d),这样e=0x3412,f=0x7856,如果能把e和f调换一下组合放在一起,不就是一个整型a(a=0x12345678)转换之后的值么?实验的代码如下:

#include <stdio.h>

struct ST{

    short val1;

    short val2;

};

union U{

    int val;

    struct ST st;

};

 

int main(void)

{

    int a = 0;

    union U u1, u2;

 

    a = 0x12345678;

    u1.val = a;

    printf("u1.val is 0x%x/n", u1.val);

    printf("val1 is 0x%x/n", u1.st.val1);

    printf("val2 is 0x%x/n", u1.st.val2);

    printf("after first convert is: 0x%x/n", htonl(u1.val));

    u2.st.val2 = htons(u1.st.val1);

    u2.st.val1 = htons(u1.st.val2);

    printf("after second convert is: 0x%x/n", u2.val);

    return 0;

}

输出结果:

u1.val is 0x12345678

val1 is 0x5678

val2 is 0x1234

after first convert is: 0x78563412

after second convert is: 0x78563412

 

按照这种想法我们实现long long int(64bit) 类型,把它分割成两个int(32bit),然后分别使用htonl(),分别转换,然后再将两种int交换顺序重新组合,即实现了整个64位的八个字节的翻转。

代码如下:

#include <stdio.h>

struct ST{

    int val1;

    int val2;

};

union test {

    long long int val;

    struct ST st;

};

 

int main(void)

{

    long long int a;

    union test u1, u2;

 

    a = 0x7654321087654321LL;

    u1.val = a;

    u2.st.val2 = htonl(u1.st.val1);

    u2.st.val1 = htonl(u1.st.val2);

    printf("val1 is 0x%x/n", u2.st.val1);

    printf("val2 is 0x%x/n", u2.st.val2);

    printf("u1.val     is    : 0x%llx/n", u1.val);

    printf("after convert is : 0x%llx/n", u2.val);

  

    return 0;

}

执行结果:

val1 is 0x10325476

val2 is 0x21436587

u1.val     is    : 0x7654321087654321

after convert is  : 0x2143658710325476

 

另外注意long long int 最大值是0x7fffffffffffffff,即7后面15个f(2的63次方减1) unsigned long long int 最大值是0xffffffffffffffff,16个f(2的64次方减1)。程序中long long int 可以简写为 long long,但是记住这是简写,就像long是long int的简写。

 

想看数据在内存中如何存储的,就用gdb吧!使用gdb中 x命令,如 x /xb &a表示要察看存储在变量a中的前一个字节(byte)中的数据(16进制)。x /xw &a 就是要察看变量a中前4个字节(word)数据(16进制)。x /xg &a 察看a开始8个字节的数据。