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兩個要解決的問題

現代網絡中，IPv4, IPv6 共存的情況日益增加，而這兩種協議的地址格式，地址解析的 API 各不同，程序員必須面對如下兩個問題并且合理地解決這些問題。

1. 怎么準確識別用戶輸入的地址或者域名是屬于 IPv4 網絡還是 IPv6 網絡？ 
   
   
2. 怎么屏蔽網絡連接細節，提供給用戶一個統一的接口？ 
   
   

IPv4 與 IPv6 對比

目前我們使用的第二代互聯網 IPv4 技術，它的最大問題是網絡地址資源有限，IPv6 是“Internet Protocol Version 6”的縮寫，它是 IETF 設計的用于替代現行版本 IP 協議 -IPv4- 的下一代 IP 協議。與 IPV4 相比，IPv6 具有更大的地址空間。IPv4 中規定 IP 地址長度為 32 位；而 IPv6 中 IP 地址的長度為 128 位。

在 IPv4 網絡下，網絡編程主要依靠的是 socket 連接。在客戶端，其基本步驟如下，創建一個 socket，使用 socket 連接服務器，最后通過 TCP 或者 UDP 協議進行數據讀寫。如果把這套方法移植到 IPv6 網絡下，就需要在原來的基礎上引入新的協議族、新的數據結構以及新的地址域名轉換函數等。具體的一些差異如 圖 1所示：

在這里要稍微介紹下 getaddrinfo（）函數，它提供獨立于協議的名稱解析。函數的前兩個參數分別是節點名和服務名。節點名可以是主機名，也可以是地址串 (IPv4 的點分十進制數表示或 IPv6 的十六進制數字串 )。服務名可以是十進制的端口號，也可以是已定義的服務名稱，如 ftp、http 等。函數的第三個參數 hints 是 addrinfo 結構的指針，由調用者填寫關于它所想返回的信息類型的線索。函數的返回值是一個指向 addrinfo 結構的鏈表指針 res。詳見 圖 2。

getaddrinfo 函數之前通常需要對以下 6 個參數進行以下設置：nodename、servname、hints 的 ai_flags、ai_family、ai_socktype、ai_protocol。在 6 項參數中，對函數影響最大的是 nodename，sername 和 hints.ai_flag。而 ai_family 只是有地址為 v4 地址或 v6 地址的區別。而 ai_protocol 一般是為 0 不作改動。其中 ai_flags、ai_family、ai_socktype。說明如 圖 3所示：

getaddrinfo 函數在 IPv6 和 IPv4 網絡下都能實現獨立于協議的名稱解析，而且它返回的指向 addrinfo 結構的鏈表中會存放所有由輸入參數 nodename 解析出的所有對應的 IP 信息，包括 IP 地址，協議族信息等。所以只要對 const struct addrinfo* hints 進行一些配置，就可以利用這個函數來識別連接目標的網絡協議屬性，進而根據其網絡協議族而進行準確的連接操作。這樣就解決了我們提出的第一個問題。具體的函數實現如下 清單 1所示：

				  BaseSocket* BaseSocket::CreateSmartSocket(char* ipaddr)   { 		     struct addrinfo *answer, hint, *curr;      bzero(&hint, sizeof(hint));      hint.ai_family = AF_UNSPEC;      hint.ai_socktype = SOCK_STREAM;      char ipstr2[128];      struct sockaddr_in  *sockaddr_ipv4;      struct sockaddr_in6 *sockaddr_ipv6;      	         int ret = getaddrinfo(ipaddr, NULL,&hint, &answer);      if (ret != 0) {          return NULL;      }      DeleteSmartSocket();       for (curr = answer; curr != NULL; curr = curr->ai_next) {          switch (curr->ai_family){              case AF_UNSPEC:                  //do something here                  break;              case AF_INET:                  sockaddr_ipv4 = reinterpret_cast<struct sockaddr_in *>( curr->ai_addr);                  inet_ntop(AF_INET, &sockaddr_ipv4->sin_addr, ipstr2,sizeof(ipstr2));                  smartSocketmap[typeIPv4]=new  SocketV4(ipstr2);                  break;              case AF_INET6:                  sockaddr_ipv6 = reinterpret_cast<struct sockaddr_in6 *>( curr->ai_addr);                  inet_ntop(AF_INET6, <sockaddr_ipv6->sin6_addr, ipstr2,sizeof(ipstr2));                  smartSocketmap[typeIPv6]=new  SocketV6(ipstr2);                  break;          }      } 	         freeaddrinfo(answer);      if(!smartSocketmap.empty())      {          smartSocket=new BaseSocket();      }       return smartSocket;   }   

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代碼結構設計

對于用戶來說，他們只想實現網絡連接，而并不希望了解太多網絡連接上冗繁的細節。如何屏蔽 IPv4 和 IPv6 網絡的差異性，讓用戶使用統一的函數接口來完成操作，就成為我們的第二個課題。 程序中申明了一個基類叫 BaseSocket，繼承于它的兩個子類 SocketV4 和 SocketV6 分別負責有關 IPv4、IPv6 網絡環境下的各種操作。詳見 圖 4。

在設計 BaseSocket 類的時候，并沒有把它作為一個單純的基類來使用，而是把它設計成了一個 SocketV4 和 SocketV6 的代理類。我們都知道，C++ 支持向上類型轉換（取一個對象的地址，并將其作為基類的地址使用），結合虛函數能夠實現多態性，我們就在這里使用一個基類的指針使其指向不同的子類實例，并把這些指針放到一個容器內。這樣設計的初衷是希望外部使用者只使用類的公共接口，享受類的服務，而無需關注類的內部實現細節。具體來說，就是在 IPv4、IPv6 同時存在的網絡環境下，用戶只需要享用 BaseSocket 類提供出的公共服務，而無需關注具體網絡環境下網絡操作的差異性。 為了達到上述的目的，BaseSocket 類的設計主要做了了以下幾點處理：

1. 把構造和析構函數隱藏起來（單件模式）
   

   在 BaseSocket 的函數申明中，通常作為類公共成員的構造函數和析構函數被塑造成了 protected 成員函數。而開放給用戶創建真正操作對象的函數卻是 CreateSmartSocket()。CreateSmartSocket() 函數會動態地根據網絡環境創建合適的子類 SocketV4 或者 SocketV6，使用的方法就是調用上文中提到的 getaddrinfo() 函數。生成的子類對象都存儲在靜態 smartSocketmap 中。這樣設計的原因是在于如果不這樣做，用戶就必須根據不同的網絡來創建屬于 IPv4 或者 IPv6 網絡的 socket 子類，然后分別調用他們的成員函數，這樣繁瑣又不利于用戶代碼的維護和擴展。smartSocketmap 以這樣的設計為用戶構建對象創作的一個統一的接口，在不同網絡下，只需要維護一套統一的代碼，而無需為不同網絡下的實現細節而費神。

   
   
2. 向用戶提供代理對象
   

   在 BaseSocket 類中申明了兩個 BaseSocket 類型的指針，一個是 smartSocket，另外一個是 m_cursocket。BaseSocket* smartSocket 是一個靜態的全局代理指針，用戶只通過它來進行網絡操作。在客戶程序中，只存在一份由 CreateSmartSocket() 函數創建的 smartSocket 的副本，這是因為在每次需要網絡連接時網絡環境相應是固定的，不會由 v4 網絡突然轉變成 v6 網絡，一個副本在運行時已經滿足使用需求。CreateSmartSocket() 函數會先去偵測存儲空間堆上是否已經存在 smartSocket 指針，存在的話就會調用 DeleteSmartSocket() 刪除之前創建的副本，然后再創建一個新的 smartSocket 指針，提供給用戶使用。而 m_cursocket 是指向真正操作對象（子類）的指針。值得注意的是，m_cursocket 指針是隱藏在 BaseSocket 類中的，而 smartSocket 正是 BaseSocket 類為 m_cursocket 封裝的一層代理指針。用戶所知的僅僅是調用了 smartSocket 的某個成員函數，而實際上，程序通過把 m_cursocket 定位到 map smartSocketmap 中的某一項，獲得了真正的 SocketV4 或者 SocketV6 對象。

   
   
   圖 5. 對象結構圖
    
   
   
   
   圖 6. 獲取 smartSocket 對象流程圖
    
   
   

   圖 5和 圖 6就展示了程序如何根據用戶輸入的地址信息判斷網絡類型，繼而創建 smartSocket 對象的過程。

   
   
3. 使用虛函數（實現多態性）
   

   在基類中，主要操作的函數都被申明為虛函數。如果編譯器發現一個類中有被聲明為 virtual 的函數，就會為其生成一個虛函數表，也就是 VTABLE。VTABLE 實際上是一個函數指針的數組，每個虛函數占用這個數組的一個位置。派生類有自己的 VTABLE，但是派生類的 VTABLE 與基類的 VTABLE 有相同的函數排列順序，同名的虛函數被放在兩個數組的相同位置上。在創建類實例的時候，編譯器還會在每個實例的內存布局中增加一個 vptr 字段，該字段指向本類的 VTABLE。C++ 對于虛函數的調用采用晚捆綁，從而能夠實現多態性。 在程序中，m_cursocket 雖然是一個基類指針，但它指向的卻是一個子類對象地址。由于這樣的轉換是子類向上轉換，所以是安全的。指向正確的子類對象后，如果需要調用成員函數，就能通過本實例中的 vptr 指針指向本類的 VTABLE，由此獲得正確的子類成員函數的地址來進行操作。

   
   
   圖 7. 利用 smartSocket 對象進行網絡連接流程圖
    
   
   
   

圖 7描述了 m_cursocket 如何進行類型轉換，獲得準確的子類對象，并且調用子類 Connect 函數的過程。

綜上所述，通過以上三點，就可以降低用戶程序和網絡操作 Socket 部分的耦合性。讓用戶容易地實現他們所需要的網絡連接，而不必要太關注網絡環境的細節。同樣，因為耦合性降低，有關 Socket 代碼部分的更新和維護也相對方便，不會牽一發而動全身。

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OpenSSL 之 https 應用案例

下面我們展示一個網絡連接實例，在這個實例中，我們會使用到 SSL 連接。眾所周知，有些 server 或者網站會啟用 SSL 進行安全連接，那么對于這一類的網絡連接就不是簡單的使用 socket 可以解決的，我們必須借用 OpenSSL 來幫助我們實現。通常我們的底層數據是用 OpenSSL 的 BIO 對象來處理的，借助 BIO_new_ssl(), BIO_new_accept() 等函數輕松實現 IPv4 環境下的網絡安全連接。然而這些方法在 IPv6 的環境下卻沒有實現很好的支持。為此，我們需要另辟蹊徑來達成我們的目標。經過一段時間對 OpenSSL 文檔的研究，我們發現以下方法既可以實現我們安全連接的目的，又可以同時支持 IPv4 和 IPv6 兩種網絡環境，具有比較好的可擴展性。這個方法十分簡單，那就是手工創建一個 socket，該 socket 連接了一個 IPv6 或者 IPv4 地址，然后將 socket 綁定到某個 SSL 對象上就可以實現 SSL 的連接了。

1. 網絡連接
   

   這個部分首先調用 BaseSocket::GetSmartSocket（）創建了一個 HTTPsSocket，HTTPsSocket 得到的就是代理指針 smartSocket 的地址，然后試圖調用 HTTPsSocket->sockConnect() 連接 SSL 端口。從調用過程可見用戶根本不用關心他現在所處的網絡是 IPv4 還是 IPv6 網絡，只要調用統一的函數接口就可以了。如 清單 2所示。

   
   
   清單 2. smartSocket 建立網絡連接
   

   /* Create a HTTPsSocket */ if((HTTPsSocket=BaseSocket::GetSmartSocket())==NULL) HTTPsSocket =BaseSocket::CreateSmartSocket(const_cast<char *>(SPName.c_str())); if(HTTPsSocket==NULL) { return -1; } /* Connect the HTTPsSocket to SSLport */ if (HTTPsSocket->isConnected()) { HTTPsSocket->disconnect(); } if(HTTPsSocket->sockConnect(SSLport)) { return SOCKETERR; } // END OF CONNECT TO THE SSLport

   
   
   
2. 初始化 SSL
   

   這里是為了實現安全連接，對 openSSL 對象進行創建和初始化配置。如下 清單 3所示。

   
   
   清單 3. 初始化 OpenSSL
   

   /* Lets get nice error messages */ SSL_load_error_strings(); /* Setup all the global SSL stuff */ SSL_library_init(); ctx=SSL_CTX_new(SSLv23_client_method()); if(ctx==NULL) { return -1; } /* Lets make a SSL structure */ if (!(ssl = SSL_new(ctx))) { return -1; }

   
   
   
3. 綁定 smartSocket 到 SSL
   

   通過把 smartSocket 的系統 fd 綁定到生成的 ssl 對象上，就可以在 HTTPsSocket 上加載 openSSL 協議了。最后使用 SSL_connect() 函數進行連接。如 清單 4所示。

   
   
   清單 4. 綁定 smartSocket 到 SSL
   

   /* Lets bind socket fd to the SSL structure */ int fd=HTTPsSocket->getSocketFD(); SSL_set_fd(ssl, fd); /* Lets use a SSL connect */ if (SSL_connect (ssl) <= 0 ) { return -1; }

   
   
   
4. 接收數據
   

   利用先建立起的 smartSocket 連接進行數據接收。如 清單 5所示。

   
   
   清單 5. 接收數據
   

   int each = 0; /*If it is openSSL enabled connection, then use SSL_read to get the message, otherwise use default HTTPSocket->sockRecv() function*/ if(SSLenabled) { each = SSL_read(ssl, buff, len ); } else { each = HTTPSocket->sockRecv((unsigned char *)buff, len, 0 ); } return each;

   
   
   
5. 發送數據
   

   利用先建立起的 smartSocket 連接進行數據發送。如 清單 6所示。

   
   
   清單 6. 發送數據
   

   /*If it is openSSL enabled connection, then use SSL_write to send the message, otherwise use default HTTPSocket->sockSend() function*/ int trans = 0, each = 0; if(SSLenabled) { while (trans < len) { if((each = SSL_write(ssl, buf + trans, len - trans)) == 0) { return SOCKETERR ; } trans += each ; } } else { while (trans < len) { if((each=HTTPSocket->sockSend((unsigned char *)buf+trans,len-trans,0))==0) { return SOCKETERR ; } trans += each ; } } return trans;

   
   
   

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小結

本文介紹了一種屏蔽 socket 網絡連接細節的代碼設計，該方法可以很好地適應 IPv4 和 IPv6 的網絡環境，而且它提供給用戶一個統一的接口，把用戶從 v4 或者 v6 網絡的連接細節中解放出來。

參考資料

學習

• IPv6 Guide for Windows Sockets Applications
  
  
• Using the Checkv4.exe Utility
  
  
• Appendix A: IPv4-only Source Code
  
  
• Appendix B: IP-version Agnostic Source Code
  
  
• 在 developerWorks Linux 專區 尋找為 Linux 開發人員（包括 Linux 新手入門）準備的更多參考資料，查閱我們 最受歡迎的文章和教程。 
  
  
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