C++中的IPv6网络程序设计

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:
图-1 IPV6 安装示例

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。 [Page]
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, [Page]
                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_socktype,res->protocol);
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,res->addrlen);
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： [Page]
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,ptr->ai_socktype,ptr->ai_protocol);
if(socklisten[i]==INVALID_SOCKET){//创建失败处理；}
rc=bind(socklisten[i],ptr->ai_addr,ptr->ai_addrlen);
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;
}
     。。。
//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”

#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_socktype, AddrInfo->ai_protocol);
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->ai_addrlen) == SOCKET_ERROR)
{
  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", WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));
     closesocket(ConnSock);
    break;
   }
   if (AmountRead == 0) {
    printf("Client closed connection\n");
     closesocket(ConnSock);
    break;
   }

printf("Received %d bytes from client: [%.*s]\n",
    AmountRead, AmountRead, Buffer);
   //进行简单ECHO 回应
   printf("Echoing same data back to client\n");
    RetVal = send(ConnSock, Buffer, AmountRead, 0);
   if (RetVal == SOCKET_ERROR)
   {
    fprintf(stderr, "send() failed: error %d: %s\n",
     WSAGetLastError(), DecodeError(WSAGetLastError()));
    closesocket(ConnSock);
    break;
   }
  }
  return 0;
}

void CIPv6::Usage(char *ProgName)
{
fprintf(stderr, "\nSimple socket sample server program.\n");
  fprintf(stderr, "transport tEither TCP or UDP. (default: %s)\n",
  "TCP");
  fprintf(stderr, "port\t\tPort on which to bind. (default %s)\n",
  DEFAULT_PORT);
fprintf(stderr, "address\tIP address on which to bind.(default: unspecified address)\n");
  WSACleanup();
exit(1);
}

LPSTR CIPv6::DecodeError(int ErrorCode)
{
static char Message[1024];
FormatMessage(FORMAT_MESSAGE_FROM_SYSTEM | FORMAT_MESSAGE_IGNORE_INSERTS |
  FORMAT_MESSAGE_MAX_WIDTH_MASK, NULL, ErrorCode,
  MAKELANGID(LANG_NEUTRAL, SUBLANG_DEFAULT),
  (LPSTR)Message, 1024, NULL);
return Message;
}

2.应用示例

#include "stdafx.h"
#include "IPv6.h"
int main(int argc, char* argv[])
{
        CIPv6 m_ipv6;
        m_ipv6.CreateServer(); //采用默认创建服务器，
        //如果你成功安装了IPv6可以使用正常使用
        return 0;
}