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詳解 Python 獲取網卡 IP 地址

本文轉載自   查看原文   2018-06-15 15:57   4837    python

https://bitmingw.com/2018/05/06/get-ip-address-of-network-interface-in-python/

 

在 StackOverflow 上流傳着這樣一份用 Python 獲取網卡 IPv4 地址的神秘代碼。

import socket
import fcntl
import struct

def get_ip_address(ifname):
 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
 return socket.inet_ntoa(fcntl.ioctl(
 s.fileno(),
 0x8915,
 struct.pack('256s', ifname[:15]))[20:24])

get_ip_address('eth0')

 

網卡名字可以從/sys/class/net或者/proc/net/dev中找到。


但是，很少有人知道這段代碼是如何工作的。本文將為你揭開這段代碼的神秘面紗。

Python socket

Python 的 socket 模塊提供了有關網絡接口的底層控制方法。socket.socket 函數會創建一個新的 socket 對象。它的用法如下：

1
 
socket.socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)

第一個參數 family 指定了網絡地址的類型。最常用的值有兩個：默認值 AF_INET 對應 IPv4，AF_INET6 是 IPv6。

第二個參數 type 代表了傳輸層協議的類型。默認值 SOCK_STREAM 是我們熟知的 TCP 協議，而 SOCK_DGRAM 則對應 UDP 協議。

因此，s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) 的含義是，創建一個使用 IPv4 網絡和 UDP 協議的 socket 對象 s。

為了獲取網卡的 IP 地址，創建 TCP socket 或是 UDP socket 是沒有差別的。由於 socket.AF_INET 和 socket.SOCK_STREAM 都是 socket.socket 函數的默認參數，所以這一行實際上可以簡寫成

1
 
s = socket.socket()

socket 對象 s 創建后，可以通過 s.fileno() 獲取這個 socket 的文件描述符（file descriptor）。

另外，代碼中的 socket.inet_ntoa 函數把一個 4 字節 IP 地址（即 struct in_addr）轉化成點分十進制的可讀形式。

現在，我們可以推斷出，從 fcntl.ioctl 到 [20:24] 這一大段內容，是用來獲取網卡對應的 4 字節 IP 地址的。

 

fcntl 與 ioctl

fcntl 與 ioctl 是 UNIX/Linux 系統中用於文件控制和 I/O 控制的兩個系統調用。Python 在此基礎上進行了封裝。函數 ioctl 的用法如下：

fcntl.ioctl(fd, request, arg=0, mutate_flag=True)

參數 fd 是我們想控制的文件的文件描述符。在 UNIX/Linux 系統中，I/O 設備也用文件來表示，因此這里需要傳入 socket 的文件操作符。

第二個參數 request 是我們想進行的操作。這個操作由一個預定義的 32 位整數表示。代碼中使用的 0x8915 在 /usr/include/linux/sockios.h 文件中定義，它對應的符號是 SIOCGIFADDR，我們正是通過這一操作來取得 IPv4 地址。想要查詢 ioctl 支持的所有操作，可以在命令行中輸入 man ioctl_list。

第三個參數 arg 是操作所需的參數，這通常是一個 32 位整數或一段二進制內容。根據文檔（man netdevice），使用 SIOCGIFADDR 時需要傳入的參數是結構體 struct ifreq。struct ifreq 的定義位於 /usr/include/net/if.h

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struct ifreq {
 char ifr_name[IFNAMSIZ]; /* Interface name */
 union {
 struct sockaddr ifr_addr;
 struct sockaddr ifr_dstaddr;
 struct sockaddr ifr_broadaddr;
 struct sockaddr ifr_netmask;
 struct sockaddr ifr_hwaddr;
 short ifr_flags;
 int ifr_ifindex;
 int ifr_metric;
 int ifr_mtu;
 struct ifmap ifr_map;
 char ifr_slave[IFNAMSIZ];
 char ifr_newname[IFNAMSIZ];
 char *ifr_data;
 };
};

在我的計算機上，IFNAMSIZ 的值是 16，即網卡名稱最長為 15 字節（第16個字節必須是 \0 用來表示字符串的結尾），而 struct ifreq 的大小是 40 字節。對於 SIOCGIFADDR 來說，只有前 16 個字節 ifr_name 是有意義的，后面的值都可以設定為 0x00。

操作 SIOCGIFADDR 返回的結果也是 struct ifreq 結構體。其中，網卡的 IPv4 地址信息包含在 struct sockaddr ifr_addr 結構體內。這個 4 字節的 IP 地址位於 struct ifreq 結構體 20-23 字節處。所以我們會看到，fcntl.ioctl 返回的結果后面有 [20:24] ——只需要把這 4 個字節拿去轉換就可以了。

到現在為止，如果我們可以正確生成 40 字節的 struct ifreq 結構體，就可以通過 ioctl 拿到 IPv4 的地址。生成結構體需要用到 Python 的 struct 模塊。

 

Python struct 與 unicode string

Python 的 struct 模塊用於生成和解析二進制內容。struct.pack 的用法如下：

1
 
struct.pack(fmt, v1, v2, ...)

這個函數比較像 printf，第一個參數用於設定格式，后續的參數用於填充內容。

struct.pack('256s', ifname[:15]) 用 ifname 的前 15 個字節填充了一個 256 字節的二進制空間，未指定內容的空間會用字節 0x00 填充。事實上，由於 struct ifreq 的大小只有 40 字節，將 256s 換成 40s 也能得到期望的 struct ifreq 結構體。

最后我們來講一講字符串的問題。Python 2 是不區分 str 和 bytes 的，所以 ifname這個字符串可以直接拿來當一組字節用。代碼中的 ifname[:15] 是一種防御性的措施，即只保留前 15 個字節。如果確信用戶的輸入合法，直接使用 ifname 也可以。但是在 Python 3 中，由於字符串不能隱式地當作一組字節用，所以需要額外的轉換，具體來說就是把

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# Python 2

struct.pack('256s', ifname[:15])

變成

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2
3
 
# Python 3

struct.pack('256s', bytes(ifname[:15], 'utf-8'))

其中 utf-8 是字符串 ifname 的編碼方法。

 

自學之道

看到這里，你可能回想，如果今后遇到類似的代碼，應該如何分析它背后的原理呢？技法不外乎兩條，一是多看文檔，二是多讀源碼。

本文例子中使用的 Python 函數，在官方文檔中有詳細的表述。細心閱讀之后，不難搞清使用每個函數的意圖，並進一步推斷該函數的參數需滿足的條件，以及返回值的形態。

當涉及到 ioctl 等 UNIX/Linux 系統調用的時候，僅僅依靠閱讀文檔（而且這種文檔可能不太容易找到）是不能完全掌握代碼意圖的。涉及到具體邏輯，參數與返回值，結構體內容與大小等細節問題時，就需要研讀源碼，探尋蛛絲馬跡。研讀源碼時，要有的放矢，先用搜索縮小范圍，再逐行精讀。有時，甚至需要通過動手實驗（例如用 sizeof查看結構體大小）來嘗試發現新的線索。

看文檔與讀源碼，都是需要很多耐心的工作。剖析代碼可能動輒需要幾個小時的時間，但當真相大白之時，相信你能夠感受到那豁然開朗的快樂。

 

 

 

 

struct sockaddr和struct sockaddr_in這兩個結構體用來處理網絡通信的地址。

在各種系統調用或者函數中，只要和網絡地址打交道，就得用到這兩個結構體。

網絡中的地址包含3個方面的屬性：

1 地址類型: ipv4還是ipv6

2 ip地址

3 端口

相應的，頭文件有如下定義：

 

C代碼   收藏代碼
  1. include <netinet/in.h>  
  2.   
  3. struct sockaddr {  
  4.     unsigned short    sa_family;    // 2 bytes address family, AF_xxx  
  5.     char              sa_data[14];     // 14 bytes of protocol address  
  6. };  
  7.   
  8. // IPv4 AF_INET sockets:  
  9.   
  10. struct sockaddr_in {  
  11.     short            sin_family;       // 2 bytes e.g. AF_INET, AF_INET6  
  12.     unsigned short   sin_port;    // 2 bytes e.g. htons(3490)  
  13.     struct in_addr   sin_addr;     // 4 bytes see struct in_addr, below  
  14.     char             sin_zero[8];     // 8 bytes zero this if you want to  
  15. };  
  16.   
  17. struct in_addr {  
  18.     unsigned long s_addr;          // 4 bytes load with inet_pton()  
  19. };  

 

 

注釋中標明了屬性的含義及其字節大小，這兩個結構體一樣大，都是16個字節，而且都有family屬性，不同的是：

sockaddr用其余14個字節來表示sa_data，而sockaddr_in把14個字節拆分成sin_port, sin_addr和sin_zero

分別表示端口、ip地址。sin_zero用來填充字節使sockaddr_in和sockaddr保持一樣大小。

 

 

sockaddr和sockaddr_in包含的數據都是一樣的，但他們在使用上有區別：

程序員不應操作sockaddr，sockaddr是給操作系統用的

程序員應使用sockaddr_in來表示地址，sockaddr_in區分了地址和端口，使用更方便。

 

 

一般的用法為：

程序員把類型、ip地址、端口填充sockaddr_in結構體，然后強制轉換成sockaddr，作為參數傳遞給系統調用函數

網絡編程中一段典型的代碼為：

 

C代碼   收藏代碼
  1. int sockfd;  
  2. struct sockaddr_in servaddr;  
  3.   
  4. sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
  5.   
  6. /* 填充struct sockaddr_in */  
  7. bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));  
  8. servaddr.sin_family = AF_INET;  
  9. servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);  
  10. inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);  
  11.   
  12. /* 強制轉換成struct sockaddr */  
  13. connect(sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));  
  14.    

 


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