一種支持ＩＰｖ４／ＩＰｖ６雙協(xié)議棧的軟件模塊

摘要：分析已有的IPv4與IPv6的socket接口和實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧的通信模塊。該模塊利用類繼承，為基于IPv4、IPv6雙協(xié)議棧的軟件開發(fā)提供了統(tǒng)一的底層通信功能編程接口。采用該模塊，還可以方便地升級(jí)原有只支持IPv4通信的軟件系統(tǒng)，使其支持IPv6協(xié)議。該模塊已應(yīng)用于NGI網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)NetTurbo。 關(guān)鍵詞：套接字；IPv4/IPv6雙協(xié)議棧；應(yīng)用程序編程接口

中圖分類號(hào)：TP393．09文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)01－0145－03

現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)采用IPv4協(xié)議[1]作為核心協(xié)議，IPv4定義的有限地址空間將影響互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。為解決地址空間限制、安全、服務(wù)質(zhì)量等問題，IETF在20世紀(jì)90年代中期制定IPv6[2]協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議。除對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展以外，其還對(duì)IPv6地址的結(jié)構(gòu)重新作了定義，采用與IPv4中使用的CIDR類似的方法分配地址，提供自動(dòng)配置以及對(duì)移動(dòng)性、安全性等更好地支持。

目前，國內(nèi)外各大廠商均在IPv6的應(yīng)用與研究方面投入大量的資源，并開發(fā)出相應(yīng)的軟硬件。2001年思科公司就正式在其路由器、交換機(jī)上支持IPv6協(xié)議；當(dāng)今大多數(shù)UNIX/Linux系統(tǒng)均支持IPv6，可以實(shí)現(xiàn)IPv4/ IPv6雙棧運(yùn)行；Microsoft從Win2K開始推出IPv6 Tech Preview，并在Windows XP上內(nèi)置了商用IPv6協(xié)議，尤其是其最近推出的Windows Vista操作系統(tǒng)，提供了對(duì)新的IPv6協(xié)議的支持。基于IPv6協(xié)議進(jìn)行軟件開發(fā)的需求日益明顯。

由于多方面的原因，IPv6不可能在短時(shí)間內(nèi)取代IPv4，兩者將長期共存。在開發(fā)新的軟件系統(tǒng)時(shí)，越來越需要考慮是否提供對(duì)使用IPv6協(xié)議通信的潛在需求的支持。現(xiàn)有的大量基于IPv4的軟件也將日益需要進(jìn)行移植和升級(jí)，以支持IPv6。目前主流操作系統(tǒng)提供的socket函數(shù)API眾多，以Windows為例，其提供的基本socket函數(shù)就多達(dá)110個(gè)，而僅僅是基本socket函數(shù)接口，就包括基本TCP socket類、基本UDP socket類、I/O復(fù)用socket類、設(shè)置socket選項(xiàng)類、基本名字與地址轉(zhuǎn)換socket類等。如果再加上高級(jí)socket函數(shù)，還包括高級(jí)名字與地址轉(zhuǎn)換函數(shù)、高級(jí)I/O函數(shù)、非阻塞I/O函數(shù)、路由soc ket、原始socket等。而事實(shí)上，一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其通信功能往往只需使用其中的一些常用的socket函數(shù)即可完成，若能將這些常用的socket函數(shù)，根據(jù)一般的功能需求進(jìn)行進(jìn)一步的整合，則可以減少重復(fù)開發(fā)的代價(jià)。如果能將這些一般的功能需求同時(shí)在IPv4和IPv6上予以實(shí)現(xiàn)，一方面能簡化上層開發(fā)者基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)編程；另一方面也便于由IPv4軟件系統(tǒng)向支持IPv6通信的升級(jí)。

1支持IPv4/IPv6雙棧的通信模塊分析

主要的操作系統(tǒng)平臺(tái)提供socket進(jìn)行client/server模式的網(wǎng)絡(luò)編程。該模式的主要流程如圖1所示。 

IPv6與IPv4的socket函數(shù)[3]相比主要不同之處包括sockaddr結(jié)構(gòu)的變化，本地全球可定址IPv6地址的獲取，listen()、connect()、accept()等函數(shù)的使用。如果直接采用基本socket函數(shù)來進(jìn)行IPv4和IPv6下的網(wǎng)絡(luò)編程，則需要由開發(fā)人員小心地處理這些差異，這一方面將不利于眾多IPv4協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)向支持IPv6的升級(jí)；另一方面更談不上實(shí)現(xiàn)兩者編程上的兼容[4，5]。

當(dāng)前所存在的支持IPv4/IPv6雙棧通信功能的設(shè)計(jì)方法大致可分為兩種：a)混合方式。設(shè)計(jì)者將IPv4和IPv6兩種通信功能在一個(gè)模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即在模塊內(nèi)部處理IPv4與IPv6通信的差異。該方式可用于全新的支持IPv4/IPv6雙棧通信的網(wǎng)絡(luò)軟件/系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，但不利于現(xiàn)有的基于IPv4的網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)向IPv6環(huán)境下的移植與升級(jí)。b）分離方式。設(shè)計(jì)者分別應(yīng)用兩個(gè)單獨(dú)的通信功能模塊實(shí)現(xiàn)所需的IPv4和IPv6通信功能，需要上層用戶自己負(fù)責(zé)區(qū)分IPv4和IPv6功能接口的差異。該方式有利于現(xiàn)有的基于IPv4的網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)向IPv6環(huán)境的移植與升級(jí)，但對(duì)于新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)者而言，仍需考慮和熟悉底層的IPv4和IPv6的通信細(xì)節(jié)以及功能接口的差異，從而導(dǎo)致開發(fā)效率降低。

2支持IPv4/IPv6雙棧的通信模塊設(shè)計(jì)

直接采用基本socket函數(shù)來進(jìn)行IPv4和IPv6下的網(wǎng)絡(luò)編程將需要處理不少的細(xì)節(jié)問題，同時(shí)也不利于實(shí)現(xiàn)眾多IPv4協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)向支持IPv6的升級(jí)。為了解決這個(gè)問題，本文提出了一種解決方法，該方法整合了混合方式和分離方式各自的優(yōu)點(diǎn)，采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢凑战y(tǒng)一接口的要求分別設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的IPv4和IPv6通信功能模塊封裝成為一致通用的接口，設(shè)計(jì)了一組核心且簡單易用的API接口。

該方法的核心內(nèi)容可概述如下：首先，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一組核心的網(wǎng)絡(luò)通信功能部分的接口；然后根據(jù)該組接口的要求，利用基本socket函數(shù)分別設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于IPv4的核心網(wǎng)絡(luò)通信功能部分及基于IPv6的核心網(wǎng)絡(luò)通信功能部分；最終屏蔽了IPv4與IPv6下網(wǎng)絡(luò)編程的差異。下面是在Windows平臺(tái)下，此方法的具體實(shí)現(xiàn)過程。

2．1客戶端模塊的設(shè)計(jì)

該部分用來完成網(wǎng)絡(luò)通信中的客戶端功能，應(yīng)用類繼承的思想，首先設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)通用的抽象接口父類；然后根據(jù)IPv4和IPv6底層socket函數(shù)使用方法的不同，分別繼承此抽象接口父類并實(shí)現(xiàn)進(jìn)行IPv4和IPv6通信功能的具體接口類。根據(jù)UML中類圖的通常畫法，此模塊的框架可描述如圖2所示。

2．1．1客戶端抽象接口父類的設(shè)計(jì)

與圖1相對(duì)應(yīng)，圖2中給出了應(yīng)用C++描述的接口類原型，在父類CClient中提煉并規(guī)定了涵蓋IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)中客戶端程序所需要的基本接口方法。這些方法包括：檢查Winsock是否已經(jīng)初始化的IsInit()；對(duì)Winsock進(jìn)行初始化的Init()；連接遠(yuǎn)程服務(wù)器的ConnectServ()；斷開與該遠(yuǎn)程服務(wù)器某端口連接的DisConnectServ()；設(shè)置建立連接超時(shí)時(shí)間的SetTimeout()；發(fā)送數(shù)據(jù)的SendData()和接收數(shù)據(jù)的RcvData()等。父類CClient的基本方法如下：

class CClient

{

private:

…

public:

virtual bool Islnint();//初始化檢查

virtual void Init();//初始化

virtual char* ConnectServ(char* IP，int_port);

virtual bool DisConnectServ(int port);//斷開

virtual void SendData(char*data，int len);//發(fā)送

virtual char*RcvData();//接收

virtual void SetTimeout(int sec，int usec);

virtual void ReleaseBuf(char*buff);//釋放緩沖

……

}

其中：多數(shù)方法被設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為virtual類型，以支持和實(shí)現(xiàn)在具體應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)綁定。同時(shí)，上層應(yīng)用程序開發(fā)者還可以根據(jù)本設(shè)計(jì)方法，針對(duì)自己的應(yīng)用程序所約定的通信協(xié)議，在本套基本接口的基礎(chǔ)上輕松地進(jìn)行擴(kuò)展。

2．1．2IPv4客戶端接口類的設(shè)計(jì)

具體完成IPv4通信功能的接口類CClientv4繼承自父類CClient（圖2），其所提供的接口方法與父類CClient所規(guī)定的接口方法相同，但其具體底層實(shí)現(xiàn)則依照IPv4下的socket函數(shù)使用方法完成。其中:此類的public方法ConnectServ()提供連接遠(yuǎn)程IPv4服務(wù)器的功能，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流程的重要細(xì)節(jié)包括：首先使用Init()初始化Winsock，然后使用socket()函數(shù)創(chuàng)建socket，接下來可以使用ioctlsocket()設(shè)置非阻塞的連接方式，再使用bind()將該socket綁定到本地地址，使用con nect()向遠(yuǎn)程IPv4服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，設(shè)置超時(shí)時(shí)間，并調(diào)用select()檢查是否可讀，成功后調(diào)用ioctlsocket()將該socket設(shè)置為阻塞模式。

2．1．3IPv6客戶端接口類的設(shè)計(jì)

與CClientv4類相類似，由類CClientv6來提供具體的實(shí)現(xiàn)IPv6通信的功能，該類也繼承自CClient（圖2），其所提供的public方法中包含了其父類CClient所規(guī)定的所有公共方法。與CClientv4類不同的是，其具體底層實(shí)現(xiàn)則參照IPv6下的socket函數(shù)使用方法來完成。

此類的方法ConnectServ()提供連接遠(yuǎn)程IPv6服務(wù)器的功能，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流程與CClientv4類的方法ConnectServ()有較大差異：它首先使用Init()初始化Winsock，然后填寫hint模板，準(zhǔn)備創(chuàng)建用于連接服務(wù)器的socket，再調(diào)用getaddrinfo()解析服務(wù)器地址，最后使用socket()函數(shù)創(chuàng)建socket；接下來可以選用ioctlsocket()設(shè)置非阻塞的連接方式，再使用connect()向遠(yuǎn)程IPv6服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，設(shè)置超時(shí)，并調(diào)用select()檢查是否可讀，調(diào)用freeaddrinfo()釋放解析地址時(shí)返回的地址列表，成功后可以選用ioctlsocket()將該socket設(shè)置為阻塞模式。

2．2服務(wù)器端模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)于用來完成網(wǎng)絡(luò)通信中的服務(wù)器端的功能部分，同樣可以采用類繼承的思想。先設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)通用的抽象接口父類，然后根據(jù)基本socket函數(shù)在IPv4和IPv6下的使用差別，分別繼承此接口類，依照統(tǒng)一的接口格式實(shí)現(xiàn)支持IPv4和IPv6通信功能的具體接口類。根據(jù)UML中類圖的畫法，此模塊的框架可以描述如圖3所示。

2．2．1服務(wù)器端抽象接口父類的設(shè)計(jì)

在類CSrvThread中，提煉出了包含IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)中服務(wù)器端程序所需要的基本接口方法。這些方法主要有：用于啟動(dòng)線程的Start()；用于終止線程的Stop()；用于獲取接收到的數(shù)據(jù)包鏈表中的第一個(gè)包的GetFirstRcv Data()；用于刪除接收到的數(shù)據(jù)包鏈表中的第一個(gè)包的DelFirstRcvData()；用于設(shè)置超時(shí)時(shí)間的SetTimeout()；用于設(shè)置偵聽的最大連接數(shù)的SetMaxConn()等。多數(shù)方法被設(shè)計(jì)為virtual類型，以支持和實(shí)現(xiàn)在具體應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)綁定。

class CSrvThread:public CThread

{

private:

……

public:

virtual void Start();//啟動(dòng)線程

virtual void Stop();//暫停線程

virtual void Release();//釋放資源

virtual char*GetFirstRcvData();

virtual void DelFirstData();

virtual void SetTimeout(long sec，long u_sec);

virtual void SetMaxConn(int maxconn);

……

};

值得注意的是，既可直接利用開發(fā)工具提供的線程類來作為類CThread使用，也可自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2．2．2IPv4服務(wù)器端接口類的設(shè)計(jì)

具體完成IPv4服務(wù)器端通信功能的接口類CSrvLst v4Thread繼承自父類CSrvThread，其所提供的接口方法包含了父類CSrvThread所規(guī)定的主要方法，具體底層實(shí)現(xiàn)則依照IPv4下socket函數(shù)的使用來進(jìn)行。

該類的方法StartUp()實(shí)現(xiàn)為:初始化Winsock、綁定本地地址并進(jìn)行偵聽。其流程為：首先，調(diào)用WSAStartup()函數(shù)初始化Winsock，創(chuàng)建socket準(zhǔn)備進(jìn)行偵聽，調(diào)用gethostname()和gethostbyname()函數(shù)獲得主機(jī)地址信息，再調(diào)用bind()將該socket綁定到本地，最后調(diào)用listen()開始偵聽。需要注意的是，開發(fā)者還要根據(jù)所開發(fā)軟件的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)與之相配套的接收線程接口類，該類需要處理少量與協(xié)議相關(guān)的細(xì)節(jié)。

2．2．3IPv6服務(wù)器端接口類的設(shè)計(jì)

類似地，完成IPv6服務(wù)器端通信功能的類CSrvLstv6 Thread也繼承自類CSrvThread，其所提供的接口方法包含了父類CSrvThread所規(guī)定的主要接口方法，其底層實(shí)現(xiàn)則依照IPv6下的socket函數(shù)的使用法則進(jìn)行。

對(duì)該類的重要方法startUp()，根據(jù)IPv6下特有的socket函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)為：初始化Winsock，綁定本地地址并開始偵聽。其具體流程為：先調(diào)用WSAStartup()函數(shù)初始化Winsock，然后調(diào)用getaddrinfo()解析服務(wù)器地址，接著創(chuàng)建socket準(zhǔn)備進(jìn)行偵聽，再調(diào)用bind()將該socket綁定到本地，最后調(diào)用listen()開始偵聽并調(diào)用freeaddrinfo()釋放解析服務(wù)器地址時(shí)獲得的地址列表。同樣值得注意的是，還需要根據(jù)所開發(fā)軟件的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)與之相配套的接收線程類，該類也需要處理少量與協(xié)議相關(guān)的細(xì)節(jié)。

3方法分析與應(yīng)用舉例

使用此種設(shè)計(jì)方法，能夠使本文的面向雙棧的編程變得非常輕松，無須過多地考慮和處理涉及IPv6協(xié)議的細(xì)節(jié)，就能使用與IPv4協(xié)議下的類似方法來編制程序，有效提高了開發(fā)效率。IPv4下的網(wǎng)絡(luò)編程和IPv6下的網(wǎng)絡(luò)編程幾乎可以做到一致。應(yīng)用實(shí)例如下：

void main()

{

……

CClient*com1=new CClientv4();//創(chuàng)建IPv4客戶端網(wǎng)絡(luò)組件

CClient*com2=new CClientv6();//創(chuàng)建IPv6客戶端網(wǎng)絡(luò)組件

……

com1->lnit();//初始化

com2->lnit();

……

com1->ConnectServ(\"202.197.4.33\"，800)；

//連接遠(yuǎn)程IPv4服務(wù)器

com2->ConnectServ(\"2001.250：f007:c:213:72ff:feb6:179\"，600)；

……

com1->SendData(\"Hello!\"，6);//與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互

com2->SendData(\"World!\"，6);

……

com1->DisConnPro();//斷開連接

com2->DisConnPro();

……

}

同樣，本設(shè)計(jì)方法中給出的接口類CSrvThread、CSrvLstv4Thread、CSrvLstv6Thread的使用方法也類似于上例，在此就不再舉例說明。采用這兩個(gè)模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)，不僅可以忽略由于IPv4/與IPv6不同協(xié)議差別造成的不同編程接口差異，方便開發(fā)，同時(shí)支持IPv4/、IPv6雙協(xié)議棧的軟件系統(tǒng)，而且編程人員還可以根據(jù)自己的實(shí)際需要來決定當(dāng)前是否實(shí)現(xiàn)其中的IPv4或IPv6通信功能，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。同時(shí)，開發(fā)者只要在最開始處根據(jù)自己的具體需要（是利用IPv4通信還是利用IPv6通信），創(chuàng)建相應(yīng)的客戶端或服務(wù)器端組件（IPv4或IPv6），則以后就幾乎可以完全不用考慮自己是使用何種通信協(xié)議進(jìn)行通信，使程序員和用戶均能很快地適應(yīng)基于IPv6協(xié)議的開發(fā)與使用，易用性高。

最具遠(yuǎn)景意義的是，對(duì)于目前大多只支持IPv4通信的網(wǎng)絡(luò)軟件而言，本文所提出的設(shè)計(jì)方法提供了一個(gè)方便的向IPv6升級(jí)的解決方案。采用該方法，這些網(wǎng)絡(luò)軟件的原有功能和實(shí)現(xiàn)幾乎無須作過多修改，只需獨(dú)立地添加IPv6通信功能模塊以及設(shè)計(jì)和擴(kuò)充頂層通信模塊，就可以實(shí)現(xiàn)升級(jí)為支持雙棧通信的目標(biāo)。

4結(jié)束語

本文分析了一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信流程，結(jié)合一般的功能需求，利用類繼承設(shè)計(jì)了支持雙棧通信的模塊，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了解釋。本文對(duì)支持IPv4/IPv6雙棧的通信模塊設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，并詳細(xì)分析和描述了支持IPv4/IPv6的網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)例分析和解釋了此種設(shè)計(jì)方法的長處。隨著基于IPv6的應(yīng)用需求日益增大，越來越多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)要求提供對(duì)使用IPv4和IPv6通信的同時(shí)支持，本文所設(shè)計(jì)的模塊中提出的方法實(shí)用性在這些應(yīng)用系統(tǒng)的具體開發(fā)過程中將得到進(jìn)一步的體現(xiàn)。

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