基于C++中的IPv6网络程序设计

时间:2009-06-26

  IPv4 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https://www.microsoft.com/ipv6 IPv6协议预览。

  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       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];//*Socket变量

  char *szPort=”8080”;//*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*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*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*

  if(rc==SOCKET_ERROR){//*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;

  }



  

参考文献:

[1]. FAR  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/FAR+_1888220.html.


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