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结构体sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6探究
最近在写一个跨平台网络库，发现一些网络编程的系统调用的参数在不同平台上各不相同，令人头大。今天把sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6这三个结构体放到一起，从源码的层面做一次研究。
Linux环境
话不多说，直接贴源码：
sockaddr
/* /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. */
};
其中宏__SOCKADDR_COMMON的定义在usr/inlcue/bits/sockaddr.h中：
/*usr/inlcue/bits/sockaddr.h*/
/* 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))
现在我们能看出，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。
sockaddr_in
/* /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)];
};
第二个结构sockaddr_in多了两个成员，in_port_t和struct in_addr，它们定义在/usr/include/netinet/in.h中：
/* 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。
sockaddr_in6
/* /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 */
sockaddr_in6又多了一个未知的结构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。
总结
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 */
};
强转的可能性
现在，我们可以知道结构 sockaddr 和 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？
其实sockaddr 和 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和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。
Windows环境
windows环境下只有struct sockaddr、sockaddr_in两种结构，都定义在_ip_types.h中，源码为：
struct sockaddr {
u_short sa_family;
char sa_data[14];
};
struct sockaddr_in {
short sin_family;
u_short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
其中in_addr结构定义在inadr.h中：
typedef struct in_addr {
union {
struct { u_char s_b1, s_b2, s_b3, s_b4; } S_un_b;
struct { u_short s_w1, s_w2; } S_un_w;
u_long S_addr;
} S_un;
} IN_ADDR, *PIN_ADDR, *LPIN_ADDR;
struct in_addr结构体中，使用联合union，三种方式来保存IP地址信息；
关于IP地址，这是一个4字节的无符号整型，此结构体也就对应了三种保存方式：
- S_un_b, 单字节保存为；
- S_un_w,双字节保存；
- S_addr,4字节保存；
我们常用S_addr4字节直接保存IP地址信息。
最后是unsigned char sin_zero[len]用来充填对齐，使sockaddr_in与sockaddr内存对齐。
sockaddr_in6
sockaddr_in6定义在头文件ws2tcpip.h里，结构为：
# define __C89_NAMELESS __MINGW_EXTENSION
struct sockaddr_in6 {
short sin6_family;
u_short sin6_port;
u_long sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
__C89_NAMELESS union {
u_long sin6_scope_id;
SCOPE_ID sin6_scope_struct;
};
};
其中SCOPE_ID定义在ws2def.h，结构为：
typedef struct _SCOPE_ID {
__C89_NAMELESS union {
__C89_NAMELESS struct {
ULONG Zone : 28;
ULONG Level : 4;
};
ULONG Value;
};
} SCOPE_ID, *PSCOPE_ID;
in6_addr定义在头文件in6addr.h中，结构为：
typedef struct in6_addr {
union {
u_char Byte[16];
u_short Word[8];
#ifdef __INSIDE_CYGWIN__
uint32_t __s6_addr32[4];
#endif
} u;
} IN6_ADDR, *PIN6_ADDR, *LPIN6_ADDR;
看起来和Linux下大同小异。其成员变量含义为：
- sin6_family，协议族，必须为AF_INET6
- sin6_port，端口号
- sin6_flowinfo，ipv6流信息
- sin6_addr，地址
- sin6_scope_id，接口集
