摘  要：本文详尽介绍了在Window系统中，如何设计基于的IPv6的网络程序；并给出了Winsock API 的详细的编程步骤和一个实例。

关键词：Windows   IPv6   Winsock 编程        

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

    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。

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,

                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：

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”

#endif // _MSC_VER > 1000

#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;

}

下图就是通过TELNET(成功安装IPV6,telnet将支持IPV6) 与服务器的通信示例

图－2服务端运行示例

 

参考文献：

    [1]  Microsoft Windows 网络编程（第二版）

[美]Anthony Jones, Jim Ohlund 编著 杨合庆 译

北京：清华大学出版社 2003 年 1月

    [2] www.microsoft.com/ipv6 网站