Network byte order, big endian と littel endian

普段何も意識せずに使っている 4バイト整数の int 型ですが、 例えば int x = 0x7f000001 がどのようにメモリに格納されているか ご存じでしょうか？ この変数xのアドレスを無理矢理キャスト変換して このxがあるメモリ領域を char 型の配列で見てみましょう。

unsinged int x = 0x7f000001; unsigned char* ptr = (unsinged char*) &x; printf("%02x,%02x,%02x,%02x\n", ptr[0], ptr[1], ptr[2], ptr[3] );

7f,00,00,01

01,00,00,7f

後者の結果が出た人は、それはあなたのマシンのCPUが little endian と呼ばれる メモリの扱い方をしているからです。たぶんあなたのマシンは Intel社製のCPUを 積んだパソコンか、DECのワークステーションなのでしょう。

int型などの複数バイト長の変数のメモリ上での取扱がCPUによって異ることは 普段はまったく意識しないのですが、異る種類のマシン間でデータを共有する ネットワークプログラムにおいては意識しなくてはなりません。 結論を言うと、4バイト長のIPアドレスと、2バイト長のポート番号は big endian でその数値を記述しなくてはなりません。このような決まりを network byte order と呼びます。この決まりにはたとえ同じ種類の マシン間で通信する場合でも従わなくてはなりません。

例えばIPアドレス "127.0.0.1" を long型変数に設定するには big endian のマシンでは

unsigned long ip = 0x7f000001;

unsigned long ip = 0x0100007f;

unsigned long ip = htonl(0x7f000001);

同様に short型の値であるポート番号は htons関数で big endian に統一します。

unsigned short port = htons(80);

逆に network order を host order に戻す ntohl, ntohs 関数もあります。

printf("IP = %08x PORT=%u", ntohl(ip), ntohs(port) );

IPやポートの値だけでなく、ネットワーク通信するデータの中身にも この endian の問題があります。異なるendianのマシン間で 2 bytes 以上の整数型、浮動小数点型のデータを 通信する際には、どちらかのendianにデータを統一するように変換しなくては なりません。htonlなどの関数はマシンがbig endianなら何もしないので、 byte orderを強制的にひっくり返すには自分でそのような関数を作成 しなくてはなりません。種々の基本型の byte orderをひっくり返す 関数 bswap は以下のようになります。

inline void bswap( short& d ){ short s=d; char *ps((char*)&s), *pd((char*)&d); pd[0] = ps[1]; pd[1] = ps[0]; } inline void bswap( int& d ){ int s=d; char *ps((char*)&s), *pd((char*)&d); pd[0] = ps[3]; pd[1] = ps[2]; pd[2] = ps[1]; pd[3] = ps[0]; } inline void bswap( long& d ){ long s=d; char *ps((char*)&s), *pd((char*)&d); pd[0] = ps[3]; pd[1] = ps[2]; pd[2] = ps[1]; pd[3] = ps[0]; } inline void bswap( float& d ){ float s=d; char *ps((char*)&s), *pd((char*)&d); pd[0] = ps[3]; pd[1] = ps[2]; pd[2] = ps[1]; pd[3] = ps[0]; } inline void bswap( double& d ){ double s=d; char *ps((char*)&s), *pd((char*)&d); pd[0] = ps[7]; pd[1] = ps[6]; pd[2] = ps[5]; pd[3] = ps[4]; pd[4] = ps[3]; pd[5] = ps[2]; pd[6] = ps[1]; pd[7] = ps[0]; }

なお、マシンの byte order を簡単に調べるには以下のようにするのが良いでしょう。

int n=1; if( *(char*)&n ) printf("Little endian\n"); else printf("Big endian\n");

ネットワーク通信でデータの中身自身の問題には byte order の問題だけではなく、構造体型変数を通信する際の 構造体の構造自身の問題もあります。構造体のメンバ変数 がメモリ上でその構造体変数の先頭から何byte目に配置されているのか(offset)に 注意しなくてはなりません。構造体メンバのoffsetは以下のようにして確認できます。

#define StructOffset(Object,Property) (&((Object*)NULL)->Property) struct Test { char c; int n; double d; }; printf("%d %d %d\n", StructOffset(Test,c), StructOffset(Test,n), StructOffset(Test,d) );

struct Test { union{ char c; double dummy1; }; union{ int n; double dummy2; }; double d; };