IPv6与IPv4的互操作性

缘起

最近看见很多app的启动页面上都支持IPv6标志。说起来IPv6已经出现很多年了，但是实际应用中却一直没有能被广泛使用。
而实际上早在2000年以前操作系统就已经能支持双协议栈（dual stacks），可以实现IPv4和v6的互通了。

实现原理

IPv4 和 IPv6 互联时，操作系统内核根据具体情况，在数据包通过IP协议层时将IPv6地址和IPv4地址互相转化，应用层不需要知道转化的细节

IPv4地址可以映射层IPv6地址，用户代码唯一要做的是调用getaddrinfo进行dns解析时，hints参数设置AI_V4MAPPED标志

下面时具体步骤

IPv4客户端连接IPv6服务端

IPv6的服务器启动IPv6套接字

//note/c/network/server_compatible_ipv6.c
 listenfd = socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, 0);

 bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
 serv_addr.sin6_family = AF_INET6;
 // ipv6的服务器默认地址是 /* :: */
 // 回环地址时   /* ::1 */
 serv_addr.sin6_addr = in6addr_any;  /* :: */
 serv_addr.sin6_port = htons(port);
 bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
 listen(listenfd, 10);

IPv4调用gethostbyname找到服务器主机的A记录（服务器主机还有一个AAAA记录，对应ipv6地址）

//note/c/network/client_compatible_ipv6.c
 struct addrinfo hists, *res;

 bzero(&hists, sizeof(hists));
 hists.ai_flags = AI_CANONNAME;
 hists.ai_family = AF_UNSPEC;

 // 此处没有使用使用gethostbyname，因为这个函数不支持ipv6，但ipv4的客户端一般都是使用gethostbyname
 // getaddrinfo 的 man 文件中显示这个函数支持的版本，需要定义编译常量-D_POSIX_C_SOURCE=200112L（或更大）
 // 但我实际编译的时候不定义也没问题，只是vscode会提示有错误
 getaddrinfo(hostname, server, &hists, &res);
 do{ 
     if(!res)
     {
         return;
     }
     sockfd = socket(res->ai_family, SOCK_STREAM, 0);
     if(res->ai_family == AF_INET)
     {
         if(connect(sockfd, res->ai_addr, res->ai_addrlen) == 0)
         {
             break;
         }
     }
     // if(res->ai_family == AF_INET6)
     // {
     //     if(connect(sockfd, res->ai_addr, res->ai_addrlen) == 0)
     //     {
     //         break;
     //     }
     // }
     close(sockfd);

 }while((res = res->ai_next) != NULL);  

客户调用connect发送IPv4的SYN分节

服务主机收到这个IPv4 SYN分节，内核设置一个标志指示本连接使用IPv4映射的IPv6地址，同时响应客户一个 IPv4的 SYN/ACK 分节,而此时服务主机的用户代码中acceptf返回的时这个IPv4映射的IPv6地址

//note/c/network/server_compatible_ipv6.c
 connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);
 // IN6_IS_ADDR_V4MAPPED 宏可以测试ipv6地址是否时ipv4映射的
 // 下面是这个宏的代码
 // # define IN6_IS_ADDR_V4MAPPED(a) \
 // (__extension__							      \
 // ({ const struct in6_addr *__a = (const struct in6_addr *) (a);	      \
 // __a->__in6_u.__u6_addr32[0] == 0					      \
 // && __a->__in6_u.__u6_addr32[1] == 0				      \
 // && __a->__in6_u.__u6_addr32[2] == htonl (0xffff); }))
 if(IN6_IS_ADDR_V4MAPPED(&cli_addr.sin6_addr))
 {
     printf("v4mapped address\n");
 }

服务主机向这个IPv4映射的IPv6地址发送TCP分节时，IP栈的目的地址又被内核转换为IPv6地址映射的IPv4地址.

IPv6客户端连接IPv4服务端

IPv4服务器启动一个IPv4监听套接字（只有A记录）

IPv6客户启动后调用getaddrinfo获得服务器IPv6地址（hints结构中设置AI_V4MAPPED标志），因为IPv4服务器只有A记录，getaddrinfo返回的是IPv4映射的IPv6地址

//note/c/network/netaddr.c
 struct addrinfo hists, *res;
 char            buf[255];
    
 bzero(&hists, sizeof(hists));
 // hists.ai_flags = AI_CANONNAME;
 hists.ai_flags = AI_V4MAPPED;
 // hists.ai_family = AF_UNSPEC;
 hists.ai_family = AF_INET6;
 getaddrinfo(argv[1], argv[2], &hists, &res);

观察一下ipv4和ipv6如何转换映射的

gcc netaddress.c -o netaddr
./netaddr qq.com 8888
call getaddrinfo
start
// 可以看到ipv4映射的ipv6地址的样子
::ffff:111.161.64.48
qq.com

IPv6客户调用 connect 连接服务主机时，内核检测到这个映射地址后发送一个IPv4 SYN分节到服务器
服务器响应 SYN/ACK 分节，连接建立

Tiny Piggy

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