VC++ IPv6的支持

最近根据项目需要,要在产品中添加对IpV6的支持,因此研究了一下IPV6的相关内容,Ipv6 与原来最直观的改变就是地址结构的改变,IP地址由原来的32位扩展为128,这样原来的地址结构肯定就不够用了,根据微软的官方文档,只需要对原来的代码做稍许改变就可以适应ipv6。

修改地址结构

Windows Socket2 针对Ipv6的官方描述

根据微软官方的说法,要做到支持Ipv6首先要做的就是将原来的SOCKADDR_IN等地址结构替换为SOCKADDR_STORAGE 该结构的定义如下:

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typedef struct sockaddr_storage {
short ss_family;
char __ss_pad1[_SS_PAD1SIZE];
__int64 __ss_align;
char __ss_pad2[_SS_PAD2SIZE];
} SOCKADDR_STORAGE, *PSOCKADDR_STORAGE;

  • ss_family:代表的是地址家族,IP协议一般是AF_INET, 但是如果是IPV6的地址这个参数需要设置为 AF_INET6

后面的成员都是作为保留字段,或者说作为填充结构大小的字段,这个结构兼容了IPV6与IPV4的地址结构,跟以前的SOCKADDR_IN结构不同,我们现在不能直接从SOCKADDR_STORAGE结构中获取IP地址了。也没有办法直接往结构中填写IP地址。

使用兼容函数

除了地址结构的改变,还需要改变某些函数,有的函数是只支持Ipv4的,我们需要将这些函数改为即兼容的函数,根据官方的介绍,这些兼容函数主要是下面几个:

  • WSAConnectByName : 可以直接通过主机名建立一个连接
  • WSAConnectByList: 从一组主机名中建立一个连接
  • getaddrinfo: 类似于gethostbyname, 但是gethostbyname只支持IPV4所以一般用这个函数来代替
  • GetAdaptersAddresses: 这个函数用来代替原来的GetAdaptersInfo

WSAConnectByName函数:

函数原型如下:

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BOOL PASCAL WSAConnectByName(
__in SOCKET s,
__in LPSTR nodename,
__in LPSTR servicename,
__inout LPDWORD LocalAddressLength,
__out LPSOCKADDR LocalAddress,
__inout LPDWORD RemoteAddressLength,
__out LPSOCKADDR RemoteAddress,
__in const struct timeval* timeout,
LPWSAOVERLAPPED Reserved
);

  • s: 该参数为一个新创建的未绑定,未与其他主机建立连接的SOCKET,后续会采用这个socket来进行收发包的操作
  • nodename: 主机名,或者主机的IP地址的字符串
  • servicename: 服务名称,也可以是对应的端口号的字符串,传入服务名时需要传入那些知名的服务,比如HTTP、FTP等等, 其实这个字段本身就是需要传入端口的,传入服务名,最后函数会根据服务名称转化为这些服务的默认端口
  • LocalAddressLength, LocalAddress, 返回当前地址结构,与长度
  • RemoteAddressLength, RemoteAddress,返回远程主机的地址结构,与长度
  • timeout: 超时值
  • Reserved: 重叠IO结构

为了使函数能够支持Ipv6,需要在调用前使用setsockopt函数对socket做相关设置,设置的代码如下:

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iResult = setsockopt(ConnSocket, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY, (char*)&ipv6only, sizeof(ipv6only) );

调用函数的例子如下(该实例为微软官方的例子):

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SOCKET OpenAndConnect(LPWSTR NodeName, LPWSTR PortName) 
{
SOCKET ConnSocket;
DWORD ipv6only = 0;
int iResult;
BOOL bSuccess;
SOCKADDR_STORAGE LocalAddr = {0};
SOCKADDR_STORAGE RemoteAddr = {0};
DWORD dwLocalAddr = sizeof(LocalAddr);
DWORD dwRemoteAddr = sizeof(RemoteAddr);

ConnSocket = socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, 0);
if (ConnSocket == INVALID_SOCKET){
return INVALID_SOCKET;
}

iResult = setsockopt(ConnSocket, IPPROTO_IPV6,
IPV6_V6ONLY, (char*)&ipv6only, sizeof(ipv6only) );
if (iResult == SOCKET_ERROR){
closesocket(ConnSocket);
return INVALID_SOCKET;
}

bSuccess = WSAConnectByName(ConnSocket, NodeName,
PortName, &dwLocalAddr,
(SOCKADDR*)&LocalAddr,
&dwRemoteAddr,
(SOCKADDR*)&RemoteAddr,
NULL,
NULL);
if (bSuccess){
return ConnSocket;
} else {
return INVALID_SOCKET;
}
}

WSAConnectByList

该函数从传入的一组hostname中选取一个建立连接,函数内部会调用WSAConnectByName,它的原型,使用方式与WSAConnectByName类似,这里就不再给出具体的原型以及调用方法了。

getaddrinfo

该函数的作用与gethostbyname类似,但是它可以同时支持获取V4、V6的地址结构,函数原型如下:

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int getaddrinfo(
const char FAR* nodename,
const char FAR* servname,
const struct addrinfo FAR* hints,
struct addrinfo FAR* FAR* res
);

  • nodename: 主机名或者IP地址的字符串
  • servname: 知名服务的名称或者端口的字符串
  • hints:一个地址结构,该结构规定了应该如何进行地址转化。
  • res:与gethostbyname类似,它也是返回一个地址结构的链表。后续只需要遍历这个链表即可。

使用的实例如下:

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char szServer[] = "www.baidu.com";
char szPort[] = "80";
addrinfo hints = {0};
struct addrinfo* ai = NULL;
getaddrinfo(szServer, szPort, NULL, &ai);
while (NULL != ai)
{
SOCKET sConnect = socket(ai->ai_family, SOCK_STREAM, ai->ai_protocol);
connect(sConnect, ai->ai_addr, ai->ai_addrlen);
shutdown(sConnect, SD_BOTH);
closesocket(sConnect);
ai = ai->ai_next;
}

freeaddrinfo(ai); //最后别忘了释放链表

针对硬编码的情况

针对这种情况一般是修改硬编码,如果希望你的应用程序即支持IPV6也支持IPV4,那么就需要去掉这些硬编码的部分。微软提供了一个工具叫”Checkv4.exe” 这个工具一般是放到VS的安装目录中,作为工具一起安装到本机了,如果没有可以去官网下载。
工具的使用也非常简单

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checkv4.exe 对应的.h或者.cpp 文件

这样它会给出哪些代码需要进行修改,甚至会给出修改意见,我们只要根据它的提示修改代码即可。

几个例子

因为IPV6 不能再像V4那样直接往地址结构中填写IP了,因此在IPV6的场合需要大量使用getaddrinfo函数,来根据具体的IP字符串或者根据主机名来自动获取地址信息,然后根据地址信息直接调用connect即可,下面是微软的例子

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int ResolveName(char *Server, char *PortName, int Family, int SocketType)
{

int iResult = 0;

ADDRINFO *AddrInfo = NULL;
ADDRINFO *AI = NULL;
ADDRINFO Hints;

memset(&Hints, 0, sizeof(Hints));
Hints.ai_family = Family;
Hints.ai_socktype = SocketType;
iResult = getaddrinfo(Server, PortName, &Hints, &AddrInfo);
if (iResult != 0) {
printf("Cannot resolve address [%s] and port [%s], error %d: %s\n",
Server, PortName, WSAGetLastError(), gai_strerror(iResult));
return SOCKET_ERROR;
}

if(NULL != AddrInfo)
{
SOCKET sConnect = socket(AddrInfo->ai_family, SOCK_STREAM, AddrInfo->ai_protocol);
connect(sConnect, AddrInfo->ai_addr, AddrInfo->ai_addrlen);

shutdown(sConnect, SD_BOTH);
closesocket(sConnect);
}
freeaddrinfo(AddrInfo);
return 0;
}

这个例子需要传入额外的family参数来规定它使用何种地址结构,但是如果我只有一个主机名,而且事先并不知道需要使用何种IP协议来进行通信,这种情况下又该如何呢?
针对服务端,不存在这个问题,服务端是我们自己的代码,具体使用IPV6还是IPV4这个实现是可以确定的,因此可以采用跟上面类似的写法:

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BOOL Create(int af_family)
{
//这里不建议使用IPPROTO_IP 或者IPPROTO_IPV6,使用TCP或者UDP可能会好点,因为它们是建立在IP协议之上的
//当然,具体情况具体分析
s = socket(af_family, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
}

BOOL Bind(int family, UINT nPort)
{
addrinfo hins = {0};
hins.ai_family = family;
hins.ai_flags = AI_PASSIVE; /* For wildcard IP address */
hins.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
hins.ai_socktype = SOCK_STREAM;

addrinfo *lpAddr = NULL;
CString csPort = "";
csPort.Format("%u", nPort);
if (0 != getaddrinfo(NULL, csPort, &hins, &lpAddr))
{
closesocket(s);
return FALSE;
}

int nRes = bind(s, lpAddr->ai_addr, lpAddr->ai_addrlen);
freeaddrinfo(lpAddr);

if(nRes == 0)
return TRUE;

return FALSE;
}

//监听,以及后面的收发包并没有区分V4和V6,因此这里不再给出跟他们相关的代码

针对服务端,我们自然没办法事先知道它使用的IP协议的版本,因此传入af_family参数在这里不再适用,我们可以利用getaddrinfo函数根据服务端的主机名或者端口号来提前获取它的地址信息,这里我们可以封装一个函数

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int GetAF_FamilyByHost(LPCTSTR lpHost, int nPort, int SocketType)
{
addrinfo hins = {0};
addrinfo *lpAddr = NULL;
hins.ai_family = AF_UNSPEC;
hins.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hins.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
CString csPort = "";
csPort.Format("%u", nPort);
int af = AF_UNSPEC;
char host[MAX_HOSTNAME_LEN] = "";
if (lpHost == NULL)
{
gethostname(host, MAX_HOSTNAME_LEN);// 如果为NULL 则获取本机的IP地址信息
}else
{
strcpy_s(host, MAX_HOSTNAME_LEN, lpHost);
}

if(0 != getaddrinfo(host, csPort, &hins, &lpAddr))
{
return af;
}

af = lpAddr->ai_family;
freeaddrinfo(lpAddr);
return af;
}

有了地址家族信息,后面的代码即可以根据地址家族信息来分别处理IP协议的不同版本,也可以使用上述服务端的思路,直接使用getaddrinfo函数得到的addrinfo结构中地址信息,下面给出第二种思路的部分代码:

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if(0 != getaddrinfo(host, csPort, &hins, &lpAddr))
{
connect(s, lpAddr->ai_addr, lpAddr->ai_addrlen);
}

当然,也可以使用前面提到的 WSAConnectByName 函数,不过它需要针对IPV6来进行特殊的处理,需要事先知道服务端的IP协议的版本。

VC中各种地址结构

在学习网络编程中,一个重要的概念就是IP地址,而巴克利套接字中提供了好几种结构体来表示地址结构,微软针对WinSock2 又提供了一些新的结构体,有的时候众多的结构体让人眼花缭乱,在这我根据自己的理解简单的回顾一下这些常见的结构

SOCKADD_IN 与sockaddr_in结构

在Winsock2 中这二者是等价的, 它们的定义如下:

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struct sockaddr_in{
short sin_family;
unsigned short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};

  • sin_family: 地址协议家族
  • sin_port:端口号
  • sin_addr: 表示ip地址的结构
  • sin_zero: 用于与sockaddr 结构体的大小对齐,这个数组里面为全0

in_addr 结构如下:

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struct in_addr { 
union {
struct{
unsigned char s_b1,
s_b2,
s_b3,
s_b4;
} S_un_b;

struct {
unsigned short s_w1, s_w2;
} S_un_w;

unsigned long S_addr;
} S_un;
};

这个结构是一个公用体,占4个字节,从本质上将IP地址仅仅是一个占4个字节的无符号整型数据,为了方便读写才会采用点分十进制的方式。
仔细观察这个结构会发现,它其实定义了IP地址的几种表现形式,我们可以将IP地址以一个字节一个字节的方式拆开来看,也可以以两个字型数据的形式拆开,也可以简单的看做一个无符号长整型。
当然在写入的时候按照这几种方式写入,为了方便写入IP地址,微软定义了一个宏:

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#define s_addr  S_un.S_addr

因此在填入IP地址的时候可以简单的使用这个宏来给S_addr这个共用体成员赋值

一般像bind、connect等函数需要传入地址结构,它们需要的结构为sockaddr,但是为了方便都会传入SOCKADDR_IN结构

sockaddr SOCKADDR结构

这两个结构也是等价的,它们的定义如下
struct sockaddr {
unsigned short sa_family;
char sa_data[14];
};

从结构上看它占16个字节与 SOCKADDR_IN大小相同,而且第一个成员都是地址家族的相关信息,后面都是存储的具体的IPV4的地址,因此它们是可以转化的,
为了方便一般是使用SOCKADDR_IN来保存IP地址,然后在需要填入SOCKADDR的时候强制转化即可。

sockaddr_in6

该结构类似于sockaddr_in,只不过它表示的是IPV6的地址信息,在使用上,由于IPV6是128的地址占16个字节,而sockaddr_in 中表示地址的部分只有4个字节,
所以它与之前的两个是不能转化的,在使用IPV6的时候需要特殊的处理,一般不直接填写IP而是直接根据IP的字符串或者主机名来连接。

sockaddr_storage

这是一个通用的地址结构,既可以用来存储IPV4地址也可以存储IPV6的地址,这个地址结构在前面已经说过了,这里就不再详细解释了。

各种地址之间的转化

一般我们只使用从SOCKADDR_IN到sockaddr结构的转化,而且仔细观察socket函数族发现只需要从其他结构中得到sockaddr结构,而并不需要从sockaddr转化为其他结构,因此这里重点放在如何转化为sockaddr结构

  1. 从SOCKADDR_IN到sockaddr只需要强制类型转化即可
  2. 从addrinfo结构中只需要调用其成员即可
  3. 从SOCKADDR_STORAGE结构到sockaddr只需要强制转化即可。

其实在使用上更常用的是将字符串的IP转化为对应的数值,针对IPV4有我们常见的inet_addrinet_ntoa 函数,它们都是在ipv4中使用的,
针对v6一般使用inet_pton,inet_ntop来转化,它们两个分别对应于inet_addrinet_ntoa。但是在WinSock中更常用的是WSAAddressToStringWSAStringToAddress

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INT WSAAddressToString(
LPSOCKADDR lpsaAddress,
DWORD dwAddressLength,
LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
OUT LPTSTR lpszAddressString,
IN OUT LPDWORD lpdwAddressStringLength
);

  • lpsaAddress: ip地址
  • dwAddressLength: 地址结构的长度
  • lpProtocolInfo: 协议信息的结构体,这个结构一般给NULL
  • lpszAddressString:目标字符串的缓冲
  • lpdwAddressStringLength:字符串的长度

而WSAStringToAddress定义与使用与它类似,这里就不再说明了。