基于IPv6的网络程序设计与实践

<meta content="MSHTML 6.00.2900.3199" name="GENERATOR"> <style></style>2007年10月12日 02:18:00

IPv4 最初是由美国国防部开发的用于网际互联（IP）协议，后来它不仅发展了TCP，而且还进一步发展了IPv4（IP 协议4.0版）。IPv4现在已经广泛应用于Internet网络中，同时也应用于大多数计算机系统，局域网和广域网中。然而，随着Internet 中的计算机数量突飞猛涨，IPv4 的局限性越发明显：

1.IPv4地址数目面临耗尽，日近紧张；

2.IPv4寻址并非完全分等级，这使得Internet 枢纽路由器必须维持大量的路由表，负担过重。

3.IPv4的地址必须被静态分配或通过配置协议（如：DHCP）进行分配。IPv6的开发目标之一就是将提供更为简便的配置方案。

于是IPv6（6.0版本）应运而生。在Window系统中，Windows XP 提供了IPv6的developer-release版本；Windows 2000也可在http://www.microsoft.com/ipv6 下载 IPv6协议预览。下图在本人计算机上成功安装的示例图:

<shapetype id="_x0000_t202" path="m,l,21600r21600,l21600,xe" o:spt="202" coordsize="21600,21600"><stroke joinstyle="miter"></stroke><path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t"></path></shapetype><shape id="_x0000_s1027" style="MARGIN-TOP: 257.4pt; Z-INDEX: 2; LEFT: 0px; MARGIN-LEFT: 2in; WIDTH: 126pt; TEXT-INDENT: 0px; POSITION: absolute; HEIGHT: 23.4pt; TEXT-ALIGN: left" type="#_x0000_t202"></shape>

图-1 IPV6 安装示例

<shapetype id="_x0000_t75" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:spt="75" coordsize="21600,21600" stroked="f" filled="f" o:preferrelative="t"><stroke joinstyle="miter"></stroke><formulas><f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></f><f eqn="sum @0 1 0"></f><f eqn="sum 0 0 @1"></f><f eqn="prod @2 1 2"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @0 0 1"></f><f eqn="prod @6 1 2"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></f><f eqn="sum @8 21600 0"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @10 21600 0"></f></formulas><path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f"></path><lock aspectratio="t" v:ext="edit"></lock></shapetype><shape id="_x0000_i1026" style="WIDTH: 275.25pt; HEIGHT: 249.75pt" type="#_x0000_t75"><imagedata o:title="" src="file:///F:%5CDOCUME~1%5CADMINI~1%5CLOCALS~1%5CTemp%5Cmsohtml1%5C01%5Cclip_image001.png"></imagedata></shape>

一．IPv4地址及其寻址

1．IPv4地址

IPv4地址（常称IP地址）用一个32位数表示；通常表示位十进制格式，地址的每8位字节被表示转为一个十进制的数值，并由句点分隔，如：192.168.0.1；IPv4地址 通常分为A、B、C、D、E 五类。

2．IPv4寻址

在Winsock 中，通过SOCKADDR_IN 结构来指定IPv4的地址和服务断口信息：

struct sockaddr_in {

short sin_family ;//必须为AF_INET,表示使用IPv4地址簇

u_short sin_port; //TCP/UDP 端口

struct in_addr sin_addr;// IP地址（以网络字节顺序排列， 4个字节）

char sin_zero[8];//填充项

}

二．IPv6地址及其寻址

1．IPv6地址

IPv6地址与IPv4地址的显著的不同是128位，长度是IPv4地址的4倍。IPv6地址由16位字节分段表示，显示为冒号分隔的十六进制：

21DA：00D3：0000：2F3A：B234：ED12：9C5A：DAC3

IPv6地址的分配

分配	地址前缀
保留地址	0000 0000
为NSAP预留	0000 0001
可聚合的全球单播地址	001
链接－本地单播地址	1111 1110 10
站点－本地单播地址	1111 1110 11
多播地址	1111 1111

2. IPv6的寻址

Winsock中，寻址使用一下结构：

struct sockaddr_in6{

short sin6_family;// 地址簇：AF_INET6

u_short sin6_port;//端口号

u_long sin6_flowinfo;//连接标记通信量

struct in6_addr sin6_addr;//16字节结构的IPv6 地址

u_long sin6_scope_id;//地址所有的接口索引

}

三．独立于协议的地址及名称解析

由此可见在寻址时，IPv4使用16字节的SOCK_ADDR_IN 结构，IPv6则使用28 字节的SOCK_ADDR_IN6 结构。为了解决这个问题，IPv6中引入了新的寻址函数。

1．getaddrinfo(),它提供独立于协议的名称解析：

int getaddrinfo(

const char *FAR *nodename,

const char FAR* servname,

const struct addrinfo FAR *hins,

struct addrinfo FAR *FAR *res

);

l 第一参数：nodename，以空字节结束的主机名或文字地址

l 第二参数：servname,包含端口或服务名(如:FTP,TELNET)的以空字节结束的字符串

l 第三个参数:hins 是一个结构(addrinfo),包含名称解析的执行方式选项

l 第四个参数:res ,用于返回 addrinfo 结构的一个或多个链表

结构addrinfo 的定义:

struct addrinfo{

int ai_flags;

int ai_family;

int ai_socktype;

int ai_protocol;

size_t ai_addrlen;

char *ai_cannoname;

struct sockaddr *ai_addr;

struct addrinfo *ai_next;

}

l ai_flags 选值：AI_PASSIVE：可以用来获取能够传递给bind函数的地址，此时nodename应设置为NULL，servname为欲绑定的端口；AI _CANONNAME 表示nodename 是主机名；AI_NUMBERICHOST 表示， nodename 是一个文字字符串地址（如：“192.168.0.1”）

l ai_family 选值：AI_INET或PF_INET(IPv4地址簇);AI_INET6或PF_INET6(IPv6地址簇)；AI_UNSPEC(未指定，可能是IPv4或IPv6 地址簇)

l ai_socktype选值：SOCK_DGRAM（UDP类型套接字）;SOCK_STREAM (TCP类 型套接字)

l ai_protocol 选值:IPPROTO_TCP (TCP/IP协议)

如果函数解析成功,解析后的地址将通过res返回。如果名称被解析为多个地址，则返回一个由ai_next 字段形成的链表。每个由名称解析的地址在ai_addr中表示，长度在ai_addrlen中表示。

2．getnameinfo（）函数与getaddrinfo（）相对应，功能相反。

. int getnameinfo(

const struct sockaddr FAR *sa,

socklen_t salen,

char FAR *host,

DWORD hostlen,

char FAR *serv,

DWORD servlen,

Int flags);

以上参数的含义比较明显，不再一一说明。

3．释放函数： freeaddrinfo(res)；

四、兼容IPv4和IPv6的网络程序设计

兼容IPv4和IPv6的网络程序，显然涉及到两个部分：客户机和服务器。

在Windows 网络编程中，Winsock是一种标准的API(应用程序接口)，Winsock2版本已经发展成独立于协议的的接口，被广泛应用于Windows平台中。

>一客户机程序设计

对于客户机来说，不管是建立TCP/UDP 连接，它都应知道服务器的主机名或IP 地址，同时将服务器地址解析为IPv4或IPv6地址都可以，一般可以考虑一下步骤：

SOCKET s;

struct addrinfo,hints,*res=NULL;

char *szRemoteAddress;//主机名或IP 地址

char *szRemotePort;//端口号

int rc;

1.用getaddrinfo() 函数解析地址。hins结构中 使用AF_UNSPEC标志，便可以获得地址簇类型（IPv4或IPv6）。

memset(&hintas,0,sizeof(hints));

hints.ai_family=AF_UNSPEC;

hints.ai_socktype=SOCK_STREAM;

hints.ai_protocol=IPPROTO_TCP;

rc=getaddrinfo(szRemoteAdddress,szRemotePort,&hints,&res);

if(rc==WSANO_DATA)

{// 无法解析，出错

}

用返回的addrinfo结构中的ai_family,ai_socketype,ai_protocol字段来创建套接字。

s=socket(res-<ai_family></ai_family>

if(s==INVALID_SOCKET)

{//创建套接字失败

}

2.使用返回的addrinfo结构中的ai_addr来调用其他函数(connect(),send()等).。

rc==connect(s,res-<ai_addr></ai_addr>

if(rc==SOCKET_ERROR)

{//连接失败；

}

。。。//完成其他编程

>二服务器程序设计

服务器程序设计，应考虑到IPv4和IPv6 都具有各自的堆栈；因此如果服务器希望能同时接受IPv4和IPv6的连接，就必须能同时创建IPv4和IPv6套接字；一般可以考虑一下步骤：

SOCKET socklisten[2];//监听Socket变量

char *szPort=”8080”;//监听端口

struct addinfo hints,*res=NULL,*ptr=NULL;

int rc,i=0;

1． 调用getaddrinfo()函数，该结构包含AI_PASSIVE，AF_UNSPEC标志，以及所需的套接字类型、协议及所需的本地端口（用来监听和接受数据等）。函数将返回的两个addrinfo结构，分别可用于IPv4和IPv6监听地址：

memset(&hints,0,sizeof(hints));

hints.ai_family=AF_UNSPEC;

hints.ai_socktype=SOCK_STREAM;

hints.ai_protocol=IPPROTO_TCP;

hints.ai_flags=AI_PASSIVE;

rc=getaddinfo(NULL,szPort,&hints,&res);

if(rc!=0){//失败处理；}

ptr=res;

2. 用返回的addrinfo结构中的ai_family,ai_socketype,ai_protocol字段来创建套接字后；便可以使用addrinfo结构中的ai_addr 和ar_addrlen 字段调用绑定函数bind()。

while(ptr)

{

socklisten[i]=socket(ptr-<ai_family></ai_family>

if(socklisten[i]==INVALID_SOCKET){//创建失败处理；}

rc=bind(socklisten[i],ptr-<ai_addr></ai_addr>

if(rc==SOCKET_ERROR){//绑定失败处理}

rc=listen(slisten[i],7)//开始监听

if(rc==SOCKET_ERROR){//监听失败处理}

i++;

ptr=ptr-<ai_next></ai_next>

}

。。。

//完成其他编程

五、程序实例

在这里,给出一个基于IPV6的简单回应(ECHO)服务器程序.

1.建立CIPv6 类

// IPv6.h: 头文件，这里使用到了套接字中的“select I/O模型”

#endif // _MSC_VER

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN

#include >winsock2.h

#include >ws2tcpip.h

#include >tpipv6.h // IPv6 头文件

#include >stdlib.h

#include >stdio.h

#include >string.h

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")//套接字库文件

#define DEFAULT_PORT "7274" // 默认端口

#define BUFFER_SIZE 64 //数据缓冲区

class CIPv6

{

public:

//创建TCP 服务器

int CreateServer(char *Port = DEFAULT_PORT,char *Address = NULL);

void Usage(char *ProgName);//用户信息提示

LPSTR DecodeError(int ErrorCode);//获取错误信息

CIPv6();

virtual ~CIPv6();

};

// IPv61.cpp: CIPv6类的实现 .

// IPv61.cpp: implementation of the CIPv6 class.

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include "stdafx.h"

#include "IPv61.h"

int CIPv6::CreateServer(char *Port, char *Address)

{ char Buffer[BUFFER_SIZE], Hostname[NI_MAXHOST];

int RetVal,FromLen, AmountRead;

SOCKADDR_STORAGE From;

WSADATA wsaData;

ADDRINFO Hints, *AddrInfo;

SOCKET ServSock;

fd_set SockSet;

//启动Winsock

if ((RetVal = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)) != 0) {

fprintf(stderr, "WSAStartup failed with error %d: %s\n",

RetVal, DecodeError(RetVal));

WSACleanup();

return -1;

}

if (Port == NULL) {

Usage("Port Error");

}

memset(&Hints, 0, sizeof(Hints));

Hints.ai_family =AF_INET6;// Family;

Hints.ai_socktype =SOCK_STREAM;

Hints.ai_flags = AI_NUMERICHOST | AI_PASSIVE;

RetVal = getaddrinfo(Address, Port, &Hints, &AddrInfo);

if (RetVal != 0) {

fprintf(stderr, "getaddrinfo failed with error %d: %s\n",

RetVal, gai_strerror(RetVal));

WSACleanup();

return -1;

}

// 创建套接字

ServSock=socket(AddrInfo-<ai_family addrinfo-></ai_family>

if (ServSock == INVALID_SOCKET){

fprintf(stderr, "socket() failed with error %d: %s\n",

WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));

WSACleanup();

return -1;

}

// 绑定套接字

if (bind(ServSock, AddrInfo-<ai_addr addrinfo- socket_error></ai_addr>

{

fprintf(stderr,"bind() failed with error %d: %s\n",

WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));

WSACleanup();

return -1;

}

// 侦听

if (listen(ServSock, 5) == SOCKET_ERROR)

{

fprintf(stderr, "listen() failed with error %d: %s\n",

WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));

WSACleanup();

return -1;

}

printf("'Listening' on port %s, protocol %s, protocol family %s\n",

Port, "TCP",

"PF_INET6");

freeaddrinfo(AddrInfo);

//使用select I/O 模型进行收发

FD_ZERO(&SockSet);

while(1) {

FromLen = sizeof(From);

if (FD_ISSET(ServSock, &SockSet)) break;

FD_SET(ServSock, &SockSet);

if (select(0, &SockSet, 0, 0, 0) == SOCKET_ERROR)

{

fprintf(stderr, "select() failed with error %d: %s\n",

WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));

WSACleanup();

return -1;

}

}

if (FD_ISSET(ServSock, &SockSet))

{

FD_CLR(ServSock, &SockSet);

}

//接受一个连接

SOCKET ConnSock;

ConnSock = accept(ServSock, (LPSOCKADDR)&From, &FromLen);

if (ConnSock == INVALID_SOCKET) {

fprintf(stderr, "accept() failed with error %d: %s\n",

WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));

WSACleanup();

return -1;

}

if (getnameinfo((LPSOCKADDR)&From, FromLen, Hostname,

sizeof(Hostname), NULL, 0, NI_NUMERICHOST) != 0)

strcpy(Hostname, ">unknown

printf("\nAccepted connection from %s\n", Hostname);

while(1)

{

//等待接受数据

AmountRead = recv(ConnSock, Buffer, sizeof(Buffer), 0);

if (AmountRead == SOCKET_ERROR) {

fprintf(stderr, "recv() failed with error %d: %s\n",

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