C++中的IPv6網絡程序

IPv4 最初是由美國國防部開發的用於網際互聯（IP）協議，後來它不僅發展了TCP，而且還進一步發展了IPv4（IP 協議4.0版）。IPv4現在已經廣泛應用於Internet網絡中，同時也應用於大多數計算機系統，局域網和廣域網中。然而，隨着Internet 中的計算機數量突飛猛漲，IPv4 的侷限性越發明顯：
1.IPv4地址數目面臨耗盡，日近緊張；
2.IPv4尋址並非完全分等級，這使得Internet 樞紐路由器必須維持大量的路由表，負擔過重。
3.IPv4的地址必須被靜態分配或通過配置協議（如：DHCP）進行分配。IPv6的開發目標之一就是將提供更爲簡便的配置方案。
於是IPv6（6.0版本）應運而生。在Window系統中，Windows XP 提供了IPv6的developer-release版本；Windows 2000也可在;下載 IPv6協議預覽。下圖在本人計算機上成功安裝的示例圖:
圖-1 IPV6 安裝示例


一．IPv4地址及其尋址
1．IPv4地址
IPv4地址（常稱IP地址）用一個32位數表示；通常表示位十進制格式，地址的每8位字節被表示轉爲一個十進制的數值，並由句點分隔，如：192.168.0.1；IPv4地址通常分爲A、B、C、D、E 五類。
    2．IPv4尋址
在Winsock 中，通過SOCKADDR_IN 結構來指定IPv4的地址和服務斷口信息：
struct sockaddr_in {
short sin_family ;//必須爲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（以網絡字節順序排列， 4個字節）
char sin_zero[8];//填充項
}

二．IPv6地址及其尋址
  1．IPv6地址
    IPv6地址與IPv4地址的顯著的不同是128位，長度是IPv4地址的4倍。IPv6地址由16位字節分段表示，顯示爲冒號分隔的十六進制：
       21DA：00D3：0000：2F3A：B234：ED12：9C5A：DAC3
                                                 IPv6地址的分配
分配
地址前綴

保留地址0000 0000
爲NSAP預留0000 0001
可聚合的全球單播地址001
鏈接－本地單播地址1111 1110 10
站點－本地單播地址1111 1110 11
多播地址1111 1111


    2. IPv6的尋址
Winsock中，尋址使用一下結構：
  struct  sockaddr_in6{
short sin6_family;// 地址簇：AF_INET6
u_short sin6_port;//端口號
u_long sin6_flowinfo;//連接標記通信量
struct in6_addr sin6_addr;//16字節結構的IPv6 地址
u_long sin6_scope_id;//地址所有的接口索引

}

三．獨立於協議的地址及名稱解析
由此可見在尋址時，IPv4使用16字節的SOCK_ADDR_IN 結構，IPv6則使用28 字節的SOCK_ADDR_IN6 結構。爲了解決這個問題，IPv6中引入了新的尋址函數。 [Page]
1．getaddrinfo(),它提供獨立於協議的名稱解析：
int getaddrinfo(
         const char *FAR *nodename,
         const  char FAR* servname,
         const struct addrinfo FAR *hins,
         struct addrinfo FAR *FAR *res
);

l       第一參數：nodename，以空字節結束的主機名或文字地址
l       第二參數：servname,包含端口或服務名(如:FTP,TELNET)的以空字節結束的字符串
l       第三個參數:hins 是一個結構(addrinfo),包含名稱解析的執行方式選項
l       第四個參數:res ,用於返回 addrinfo 結構的一個或多個鏈表
結構addrinfo 的定義:
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 選值：AI_PASSIVE：可以用來獲取能夠傳遞給bind函數的地址，此時nodename應設置爲NULL，servname爲欲綁定的端口；AI _CANONNAME 表示nodename 是主機名；AI_NUMBERICHOST 表示， nodename 是一個文字字符串地址（如：“192.168.0.1”）
l       ai_family 選值：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選值：SOCK_DGRAM（UDP類型套接字）;SOCK_STREAM (TCP類  型套接字)
l       ai_protocol 選值:IPPROTO_TCP (TCP/IP協議)
如果函數解析成功,解析後的地址將通過res返回。如果名稱被解析爲多個地址，則返回一個由ai_next 字段形成的鏈表。每個由名稱解析的地址在ai_addr中表示，長度在ai_addrlen中表示。
2．getnameinfo（）函數與getaddrinfo（）相對應，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);
   以上參數的含義比較明顯，不再一一說明。
  3．釋放函數： freeaddrinfo(res)；
四、兼容IPv4和IPv6的網絡程序設計
兼容IPv4和IPv6的網絡程序，顯然涉及到兩個部分：客戶機和服務器。
在Windows 網絡編程中，Winsock是一種標準的API(應用程序接口)，Winsock2版本已經發展成獨立於協議的的接口，被廣泛應用於Windows平臺中。
<一>客戶機程序設計
對於客戶機來說，不管是建立TCP/UDP 連接，它都應知道服務器的主機名或IP 地址，同時將服務器地址解析爲IPv4或IPv6地址都可以，一般可以考慮一下步驟：
SOCKET s;
struct addrinfo,hints,*res=NULL;
char *szRemoteAddress;//主機名或IP 地址
char *szRemotePort;//端口號
int rc;
1.用getaddrinfo() 函數解析地址。hins結構中使用AF_UNSPEC標誌，便可以獲得地址簇類型（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)
{// 無法解析，出錯
}
用返回的addrinfo結構中的ai_family,ai_socketype,ai_protocol字段來創建套接字。
s=socket(res->ai_family,ai_socktype,res->protocol);
if(s==INVALID_SOCKET)
{//創建套接字失敗
}
2.使用返回的addrinfo結構中的ai_addr來調用其他函數(connect(),send()等).。
      rc==connect(s,res->ai_addr,res->addrlen);
if(rc==SOCKET_ERROR)
{//連接失敗；
}
。。。//完成其他編程
<二>服務器程序設計
服務器程序設計，應考慮到IPv4和IPv6 都具有各自的堆棧；因此如果服務器希望能同時接受IPv4和IPv6的連接，就必須能同時創建IPv4和IPv6套接字；一般可以考慮一下步驟：
        SOCKET socklisten[2];//監聽Socket變量
char *szPort=”8080”;//監聽端口
struct addinfo hints,*res=NULL,*ptr=NULL;
int rc,i=0;
1．  調用getaddrinfo()函數，該結構包含AI_PASSIVE，AF_UNSPEC標誌，以及所需的套接字類型、協議及所需的本地端口（用來監聽和接受數據等）。函數將返回的兩個addrinfo結構，分別可用於IPv4和IPv6監聽地址： [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){//失敗處理；}
ptr=res;
     2. 用返回的addrinfo結構中的ai_family,ai_socketype,ai_protocol字段來創建套接字後；便可以使用addrinfo結構中的ai_addr 和ar_addrlen 字段調用綁定函數bind()。
while(ptr)
{
socklisten[i]=socket(ptr->ai_family,ptr->ai_socktype,ptr->ai_protocol);
if(socklisten[i]==INVALID_SOCKET){//創建失敗處理；}
rc=bind(socklisten[i],ptr->ai_addr,ptr->ai_addrlen);
if(rc==SOCKET_ERROR){//綁定失敗處理}
rc=listen(slisten[i],7)//開始監聽
if(rc==SOCKET_ERROR){//監聽失敗處理}
i++;
ptr=ptr->ai_next;
}
     。。。
//完成其他編程
五、程序實例
   在這裏,給出一個基於IPV6的簡單迴應(ECHO)服務器程序.
    1.建立CIPv6 類

// IPv6.h: 頭文件，這裏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 頭文件
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")//套接字庫文件
#define DEFAULT_PORT "7274" // 默認端口
#define BUFFER_SIZE   64   // 數據緩衝區
class CIPv6
{
public:
// 創建TCP 服務器
int CreateServer(char *Port = DEFAULT_PORT,char *Address = NULL);
void Usage(char *ProgName);//用戶信息提示
LPSTR DecodeError(int ErrorCode);//獲取錯誤信息
CIPv6();
virtual ~CIPv6();
};
// IPv61.cpp: CIPv6類的實現 .
// 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;
// 啓動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;
}
// 創建套接字
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;
}
// 綁定套接字
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;
}
// 偵聽
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 模型進行收發
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);
}
//接受一個連接
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)
  {
   //等待接受數據
   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);
   //進行簡單ECHO 迴應
   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.應用示例

#include "stdafx.h"
#include "IPv6.h"
int main(int argc, char* argv[])
{
        CIPv6 m_ipv6;
        m_ipv6.CreateServer(); //採用默認創建服務器，
        //如果你成功安裝了IPv6可以使用正常使用
        return 0;

}

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