在网络编程中，IP 地址的转换和表示是一个常见且重要的任务。为了在程序中处理网络地址，需要将人类可读的字符串形式的 IP 地址转换为计算机可处理的二进制形式，反之亦然。inet_pton() 和 inet_ntop() 函数正是用于完成这些转换的强大工具。

一、inet_pton() 和 inet_ntop() 函数概述

1.1 定义与作用

  • inet_pton()：将人类可读的 IP 地址（文本形式）转换为网络字节序的二进制形式。
  • inet_ntop()：将网络字节序的二进制 IP 地址转换为人类可读的文本形式。

1.2 函数原型

1
2
3
4
5
6
7

#include <arpa/inet.h>

// inet_pton
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

// inet_ntop
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

二、inet_pton() 函数详解

2.1 参数解析

  • int af：地址族（Address Family），指定要转换的地址类型。
    • AF_INET：IPv4 地址。
    • AF_INET6：IPv6 地址。
  • const char *src：源地址，指向以 NUL 结尾的字符串，表示要转换的 IP 地址（文本形式）。
  • void *dst：目标地址，指向一个缓冲区，用于存储转换后的二进制地址。

2.2 返回值

  • 成功：返回 1，表示转换成功。
  • 失败：
    • 返回 0，表示输入的地址不符合指定地址族的格式。
    • 返回 -1，表示发生错误，并设置 errno。

2.3 使用示例

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17

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

int main() {
    const char *ip_str = "192.168.1.1";
    struct in_addr ip_addr;

    if (inet_pton(AF_INET, ip_str, &ip_addr) == 1) {
        printf("inet_pton success: %x\n", ip_addr.s_addr);
    } else {
        fprintf(stderr, "inet_pton failed\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

三、inet_ntop() 函数详解

3.1 参数解析

  • int af：地址族，同 inet_pton() 的 af 参数。
  • const void *src：源地址，指向网络字节序的二进制 IP 地址。
  • char *dst：目标地址，指向用于存储转换后字符串的缓冲区。
  • socklen_t size：目标缓冲区的大小（字节数）。

3.2 返回值

  • 成功：返回指向结果字符串的指针，即 dst。
  • 失败：返回 NULL，并设置 errno。

3.3 使用示例

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17

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

int main() {
    struct in_addr ip_addr;
    ip_addr.s_addr = htonl(0xC0A80101); // 192.168.1.1 in hex
    char ip_str[INET_ADDRSTRLEN];

    if (inet_ntop(AF_INET, &ip_addr, ip_str, sizeof(ip_str)) != NULL) {
        printf("inet_ntop success: %s\n", ip_str);
    } else {
        fprintf(stderr, "inet_ntop failed\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

四、inet_pton() 和 inet_ntop() 的工作原理

4.1 地址族的支持

  • IPv4（AF_INET）：

    • inet_pton() 将点分十进制的 IPv4 地址转换为 struct in_addr 结构体中的二进制形式。
    • inet_ntop() 将 struct in_addr 中的二进制地址转换为点分十进制的字符串形式。

  • IPv6（AF_INET6）：

    • inet_pton() 将字符串形式的 IPv6 地址转换为 struct in6_addr 结构体中的二进制形式。
    • inet_ntop() 将 struct in6_addr 中的二进制地址转换为字符串形式。

4.2 字节序的处理

  • 网络字节序（大端序）：网络传输使用大端序，因此在转换过程中，函数会处理字节序的转换。
  • 主机字节序：在存储和处理 IP 地址时，程序需要考虑主机的字节序。

五、实践中的注意事项

5.1 缓冲区大小

  • IPv4 地址：使用 INET_ADDRSTRLEN 宏，通常为 16 字节。
  • IPv6 地址：使用 INET6_ADDRSTRLEN 宏，通常为 46 字节。
  • 建议：在使用 inet_ntop() 时，确保 dst 缓冲区的大小足够大，以避免缓冲区溢出。

5.2 返回值的检查

  • inet_pton()：
    • 返回 1 才表示成功，0 和 -1 都表示失败，需要区别处理。
  • inet_ntop()：
    • 返回非 NULL 指针表示成功，NULL 表示失败，需要检查 errno。

5.3 地址格式的正确性

  • IPv4 地址：必须是合法的点分十进制格式，如 192.168.1.1。
  • IPv6 地址：支持多种表示形式，如缩略表示，需要确保格式正确。

5.4 兼容性考虑

  • 历史函数：inet_addr()、inet_aton()、inet_ntoa() 是早期用于地址转换的函数，但不支持 IPv6，且线程不安全。
  • 建议：使用 inet_pton() 和 inet_ntop()，以获得更好的兼容性和安全性。

六、易错之处

6.1 忘记检查返回值

  • 问题：未检查函数的返回值，可能导致程序在地址转换失败时继续运行，产生错误。
  • 解决方案：始终检查函数的返回值，根据返回值处理错误情况。

6.2 缓冲区大小不足

  • 问题：inet_ntop() 的目标缓冲区过小，导致字符串截断或缓冲区溢出。
  • 解决方案：使用 INET_ADDRSTRLEN 或 INET6_ADDRSTRLEN 定义的大小，确保缓冲区足够大。

6.3 地址族不匹配

  • 问题：指定的地址族与实际的地址格式不匹配，导致转换失败。
  • 解决方案：确保 af 参数与 IP 地址的版本一致（IPv4 或 IPv6）。

6.4 多线程环境下的安全性

  • 问题：使用线程不安全的函数（如 inet_ntoa()）可能导致数据竞争。
  • 解决方案：使用线程安全的 inet_ntop() 和 inet_pton()。

七、inet_pton() 和 inet_ntop() 的高级用法

7.1 支持多种 IPv6 地址表示

  • 压缩表示：如 2001:db8::1，:: 表示一系列连续的零。
  • 嵌入式 IPv4 地址：如 ::ffff:192.168.1.1，用于 IPv4 映射的 IPv6 地址。

7.2 与套接字地址结构体的结合

  • struct sockaddr_in（IPv4）：

    1
2

    struct sockaddr_in addr;
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &(addr.sin_addr));

  • struct sockaddr_in6（IPv6）：

    1
2

    struct sockaddr_in6 addr6;
inet_pton(AF_INET6, "2001:db8::1", &(addr6.sin6_addr));

7.3 在网络编程中的应用

  • 服务器和客户端的地址设置：使用 inet_pton() 将 IP 地址转换后，设置到套接字地址结构体中，用于 connect()、bind() 等函数。
  • 日志和调试信息：使用 inet_ntop() 将二进制 IP 地址转换为可读的字符串，便于输出和记录。

八、拓展资料：关键概念解释

8.1 网络字节序与主机字节序

  • 网络字节序（Big Endian）：高位字节存在低地址，网络传输使用大端序。
  • 主机字节序：不同的主机可能使用大端序或小端序，需要在网络编程中进行转换。

8.2 IPv4 与 IPv6

  • IPv4 地址：32 位地址，通常表示为点分十进制，如 192.168.1.1。
  • IPv6 地址：128 位地址，表示形式多样，支持更大的地址空间。

8.3 地址族（Address Family）

  • AF_INET：表示 IPv4 地址族。
  • AF_INET6：表示 IPv6 地址族。
  • PF_INET 与 AF_INET：在某些系统中，PF_INET 和 AF_INET 是等价的，但建议在套接字编程中使用 AF_INET。

8.4 早期的地址转换函数

  • inet_addr()：将 IPv4 字符串地址转换为网络字节序的 32 位整数，不推荐使用。
  • inet_aton()：改进的版本，返回值更明确，但仍仅支持 IPv4。
  • inet_ntoa()：将 IPv4 地址转换为字符串形式，返回静态缓冲区指针，线程不安全。

九、示例代码：IPv4 和 IPv6 地址转换

9.1 IPv4 地址转换示例

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

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

int main() {
    const char *ip_str = "192.168.1.100";
    struct in_addr ip_addr;

    // 字符串转换为二进制
    if (inet_pton(AF_INET, ip_str, &ip_addr) != 1) {
        perror("inet_pton");
        return -1;
    }

    // 二进制转换为字符串
    char buffer[INET_ADDRSTRLEN];
    if (inet_ntop(AF_INET, &ip_addr, buffer, INET_ADDRSTRLEN) == NULL) {
        perror("inet_ntop");
        return -1;
    }

    printf("Original IP: %s\nConverted IP: %s\n", ip_str, buffer);

    return 0;
}

9.2 IPv6 地址转换示例

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

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

int main() {
    const char *ip_str = "2001:0db8::1";
    struct in6_addr ip6_addr;

    // 字符串转换为二进制
    if (inet_pton(AF_INET6, ip_str, &ip6_addr) != 1) {
        perror("inet_pton");
        return -1;
    }

    // 二进制转换为字符串
    char buffer[INET6_ADDRSTRLEN];
    if (inet_ntop(AF_INET6, &ip6_addr, buffer, INET6_ADDRSTRLEN) == NULL) {
        perror("inet_ntop");
        return -1;
    }

    printf("Original IP: %s\nConverted IP: %s\n", ip_str, buffer);

    return 0;
}