主机字节序和网络字节序

Posted 2023-04-11 ZHAOCHENHAO-

文章目录

• 1. 为什么会出现字节序的问题？
• 2. 字节序的含义
• 3. 网络字节序的转换
• 4. 示例

1. 为什么会出现字节序的问题？

如果是在同类型机器或者单机上进行通信的时候，很少会出现字节序混乱的情况。但由于网络的特点是将Internet上不同的网络设备和主机进行连接和通信，这决定了使用网络进行开发的程序要兼容于各式各样的设备，同一个数据在不同的设备上要有唯一的含义。

2. 字节序的含义

字节序是计算机存储多字节数据的方式，目前主流的方式有两种：大端字节序和小端字节序。

• 大端字节序也叫高位字节序，是指将高位字节放在内存的低地址端，低位字节放在内存的高地址端。这种字节序与思维习惯不一致，但是与实际数据的表达方式是一致的。如果将内存中的数据直接存放在文件中，打开文件查看会发现和原来的数据的高低位一致。采用大端字节序的典型的代表有PowerPC的UNIX系统。
• 小端字节序也叫低位字节序，是指将低位字节放在内存的低地址端，高位字节放在内存的高地址端。与思维习惯一致，采用低字节的CPU有X86架构的Intel系列产品。

例如，对于十六进制数0x12345678，大端字节序将其存储为0x12 0x34 0x56 0x78，而小端字节序将其存储为0x78 0x56 0x34 0x124。

3. 网络字节序的转换

网络字节序是指在网络上传输数据时，为了保证数据的正确性，规定的一种字节序。网络字节序采用大端字节序，即高位字节存放在内存的低地址端，低位字节存放在内存的高地址端。在C语言中，可以使用头文件<netinet/in.h>中的函数htons()、ntohs()、htonl()、ntohl()进行网络字节序和主机字节序之间的转换。

• s是short数据类型的意思
• l是long数据类型的意思
• h代表的是host，即主机
• n是network，即网络
  所以以上4个函数分别如下：
• htons():表示对于short类型的变量，从主机字节序转换到网络字节序。
• ntohs():表示对于short类型的变量，从网络字节序转换到主机字节序。
• htonl():表示对于long类型的变量，从主机字节序转换到网络字节序。
• ntohl():表示对于long类型的变量，从网络字节序转换到主机字节序。

4. 示例

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>

int main() 
    uint16_t host_num = 0x1234;
    uint16_t net_num = htons(host_num);
    printf("host_num: 0x%x\\n", host_num);
    printf("net_num: 0x%x\\n", net_num);
    return 0;

c# 主机和网络字节序的转换 关于网络字节序和主机字节序的转换

最近使用C#进行网络开发，需要处理ISO8583报文，由于其中有些域是数值型的，于是在传输的时候涉及到了字节序的转换。

字节顺序是指占内存多于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，通常有两种字节顺序，根据他们所处的位置我们分别称为主机节序和网络字节序。

通常我们认为网络字节序为标准顺序，封包的时候，将主机字节序转换为网络字节序，拆包的时候要将网络字节序转换为主机字节序。

原以为还要自己写函数，其实网络库已经提供了。

主机到网络：short/int/long IPAddress.HostToNetworkOrder(short/int/long)

网络到主机：short/int/long IPAddress.NetworkToHostOrder(short/int/long) 

主机字节序指低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处，如：

int x=1;    //此时x为主机字节序：[1][0][0][0] 低位到高位

int y=65536 //此时y为主机字节序：[0][0][1][0] 低位到高位

我们通过主机到网络字节序的转换函数分别对x和y进行转换得到他们对应的网络字节序值，

网络节序是高字节数据存放在低地址处，低字节数据存放在高地址处，如：

int m=IPAddress.HostToNetworkOrder(x);

//此时m为主机字节序：[0][0][0][1] 高位到低位

int n=IPAddress.HostToNetworkOrder(y);

//此时n为主机字节序：[0][1][0][0] 高位到低位 

经过转换以后，我们就可以通过

byte[]btValue=BitConverter.GetBytes(m);

得到一个长度为4的byte数组，然后将这个数组设置到报文的相应位置发送出去即可。

同样，收到报文后，可以将报文按域拆分，得到btValue，使用

int m=BitConverter.ToInt32(btValue,0);//从btValue的第0位开始转换

得到该域的值，此时还不能直接使用，应该再用网络到主机字节序的转换函数进行转换：

int x=IPAddress.NetworkToHostOrder(m);

这时得到的x才是报文中的实际值。

ps:网络字节序与主机字节序

不同的CPU有不同的字节序类型 这些字节序是指整数在内存中保存的顺序 这个叫做主机序
最常见的有两种
1． Little endian：将低序字节存储在起始地址
2． Big endian：将高序字节存储在起始地址

LE little-endian
最符合人的思维的字节序
地址低位存储值的低位
地址高位存储值的高位
怎么讲是最符合人的思维的字节序，是因为从人的第一观感来说
低位值小，就应该放在内存地址小的地方，也即内存地址低位
反之，高位值就应该放在内存地址大的地方，也即内存地址高位

BE big-endian
最直观的字节序
地址低位存储值的高位
地址高位存储值的低位
为什么说直观，不要考虑对应关系
只需要把内存地址从左到右按照由低到高的顺序写出
把值按照通常的高位到低位的顺序写出
两者对照，一个字节一个字节的填充进去

例子：在内存中双字0x01020304(DWORD)的存储方式

内存地址
4000 4001 4002 4003
LE 04 03 02 01
BE 01 02 03 04

例子：如果我们将0x1234abcd写入到以0x0000开始的内存中，则结果为
      big-endian   little-endian
0x0000   0x12       0xcd
0x0001   0x23       0xab
0x0002   0xab       0x34
0x0003   0xcd       0x12
x86系列CPU都是little-endian的字节序.

网络字节顺序是TCP/IP中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释。网络字节顺序采用big endian排序方式。

为了进行转换 bsd socket提供了转换的函数 有下面四个
htons 把unsigned short类型从主机序转换到网络序
htonl 把unsigned long类型从主机序转换到网络序
ntohs 把unsigned short类型从网络序转换到主机序
ntohl 把unsigned long类型从网络序转换到主机序

在使用little endian的系统中 这些函数会把字节序进行转换
在使用big endian类型的系统中 这些函数会定义成空宏

同样 在网络程序开发时 或是跨平台开发时 也应该注意保证只用一种字节序 不然两方的解释不一样就会产生bug.

注：
1、网络与主机字节转换函数:htons ntohs htonl ntohl (s 就是short l是long h是host n是network)
2、不同的CPU上运行不同的操作系统，字节序也是不同的，参见下表。
处理器     操作系统     字节排序
Alpha     全部     Little endian
HP-PA     NT     Little endian
HP-PA     UNIX     Big endian
Intelx86     全部     Little endian <-----x86系统是小端字节序系统
Motorola680x()     全部     Big endian
MIPS     NT     Little endian
MIPS     UNIX     Big endian
PowerPC     NT     Little endian
PowerPC     非NT     Big endian   <-----PPC系统是大端字节序系统
RS/6000     UNIX     Big endian
SPARC     UNIX     Big endian
IXP1200 ARM核心     全部     Little endian