C 套接字 sockaddr 和 sockaddr_storage 背后的原理

介绍 C 套接字中的 sockaddr 和 sockaddr_storage 结构体

sockaddr 结构体

在 C 语言的网络编程中，sockaddr 结构体用于存储地址信息。它是一种通用的地址结构体，用于处理各种类型的地址。最初设计sockaddr是为了能够处理多种不同的协议地址。

c
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;  // 地址族
    char sa_data[14];       // 包含目标地址和端口信息
};

地址族(sa_family) 标识了地址类型，比如 AF_INET 用于IPv4地址，AF_INET6 用于IPv6地址等。这个字段很重要，因为它帮助程序解析后面的 sa_data 数据。

然而，sockaddr 结构体的一个限制是它的大小固定，而且设计上没有考虑到地址长度超过其提供的存储空间的情况。因此，在处理IPv6这样需要更多空间存储地址的协议时，这种结构体就显得不够用。

sockaddr_storage 结构体

为了解决 sockaddr 的这些限制问题，引入了 sockaddr_storage 结构体。这个结构体足够大，能够容纳支持的所有协议的地址，保证了与将来的协议兼容。

c
struct sockaddr_storage {
    sa_family_t ss_family;  // 地址族
    char __ss_pad1[_SS_PAD1SIZE];
    int64_t __ss_align;     // 保证结构体在任何平台上都对齐
    char __ss_pad2[_SS_PAD2SIZE];
};

sockaddr_storage 的设计主要确保了两点：

1. 足够的空间: 提供了足够的空间以适配不同的地址类型，如IPv6。
2. 适当的对齐: 通过 __ss_align 确保了结构体在不同平台上能够正确地对齐。

使用实例

假设您正在编写一个服务器应用程序，需要接受来自IPv4和IPv6地址的客户端连接。在这种情况下，使用 sockaddr_storage 结构体来存储客户端的地址信息是一个理想的选择。

c
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>

void process_connection(int client_socket, struct sockaddr_storage client_address) {
    char host[NI_MAXHOST];
    char service[NI_MAXSERV];
    
    getnameinfo((struct sockaddr *)&client_address, sizeof(client_address),
                host, NI_MAXHOST, service, NI_MAXSERV, 0);
    printf("Connected with %s:%s\n", host, service);
}

int main() {
    int server_socket;
    struct sockaddr_storage client_address;
    socklen_t client_address_len = sizeof(client_address);

    // Setup socket and bind (省略具体代码细节)

    listen(server_socket, 5);

    while (1) {
        int client_socket = accept(server_socket,
                                   (struct sockaddr *) &client_address,
                                   &client_address_len);
        if (client_socket == -1) {
            perror("accept");
            continue;
        }
        
        process_connection(client_socket, client_address);
        close(client_socket);
    }
}

在这个例子中，通过使用 sockaddr_storage 结构体，我们能够无缝地处理来自IPv4和IPv6的连接，而无需担心地址空间的问题。这种方式增强了程序的兼容性与未来的扩展性。