協(xié)議雙棧技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)開發(fā)中的設(shè)計與應(yīng)用

牛曉妍

（長治醫(yī)學(xué)院 計算機系，山西 長治 046000）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv4存在路由選擇效率低、IP地址匱乏、服務(wù)質(zhì)量差等諸多問題。針對以上情況，下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6做了較大改進，并新增加了一些特性，例如改進的路由結(jié)構(gòu)、龐大的地址空間、完善的服務(wù)質(zhì)量保證等等。

但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是以網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議IPv4為基礎(chǔ)構(gòu)建的，所以IPv4向IPv6的轉(zhuǎn)變將是一個漫長的過程，在這一過程中IPv4與IPv6兩種協(xié)議將會長期共存。因此當前不僅要考慮Ipv4向Ipv6的過度，而且應(yīng)研究如何在IPv4和IPv6兩種協(xié)議共存的情況下，更好、更安全地保證網(wǎng)絡(luò)可靠的通信傳輸。

2 IPv4向IPv6的過渡技術(shù)簡介

目前已有的過渡技術(shù)[1]有三種：

（1）雙協(xié)議棧（Dual Stack）：這種技術(shù)就是在同一節(jié)點上同時支持IPv4協(xié)議棧和IPv6協(xié)議棧。

（2）隧道技術(shù)（手動隧道、自動隧道、6to4，6over4）：基于IPv4隧道的IPv6是由路由器將IPv6的數(shù)據(jù)分組封裝入IPv4數(shù)據(jù)包中，以此來實現(xiàn)在現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)中IPv6節(jié)點和IPv4節(jié)點之間的IP通信。這個過程比較復(fù)雜，分為打包？解包和隧道管理[2]75-783個步驟。

（3）NAT-PT（Network Address Translation-Protocol Translation）：其核心是地址和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3 雙協(xié)議棧的運行機制及工作過程

3.1 IPv4/IPv6雙協(xié)議棧體系模型

雙協(xié)議棧是指在同一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點同時支持IPv4和IPv6兩種協(xié)議棧。因為IPv4和IPv6在形式、功能等方面如出一轍，所以IPv6是IPv4的改進版本[3]101-111。IPv4和IPv6這兩種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議基于相同的物理平臺，而且加載于其上的傳輸層協(xié)議（TCP/UDP）也極其相似，所以無論從理論上，還是實踐上都可以實現(xiàn)支持雙協(xié)議棧的結(jié)點既能與支持IPv4協(xié)議的結(jié)點通信，又能與支持IPv6協(xié)議的結(jié)點通信。雙協(xié)議棧的概念模型如圖1所示：

圖1 雙協(xié)議棧模型

在雙協(xié)議棧體系模型中，大部分采用了節(jié)點技術(shù)完成IPv4向IPv6過度[4]。節(jié)點模型如圖2所示。

圖2 節(jié)點模型

4 IPv4/IPv6雙棧的通信系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)采用socket技術(shù)，并提供client/server通信模式。采用socket函數(shù)來進行IPv4和IPv6下的網(wǎng)絡(luò)編程存在很多弊端，如：IPv4協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)在向支持IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的升級[5]過程中存在一些問題。針對這個現(xiàn)實難題，本文提出了解決方案：首先設(shè)計和實現(xiàn)一組網(wǎng)絡(luò)通信功能的接口；然后分別在IPv4和IPv6下使用socket函數(shù)設(shè)計和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，最終屏蔽了IPv4和IPv6在網(wǎng)絡(luò)編程方面的差異。系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 主體結(jié)構(gòu)程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

4.1 客戶端模塊的設(shè)計

該模塊使用類繼承的思想實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中的客戶端功能部分。設(shè)計如下：首先設(shè)計并實現(xiàn)通用的抽象接口父類；然后分別在IPv4和IPv6下使用socket函數(shù)繼承此抽象接口父類并實現(xiàn)通信功能的具體接口類。

下面具體舉例說明父類Client的實現(xiàn)代碼。

4.2 服務(wù)器端模塊的設(shè)計

該模塊同樣采用類繼承的思想[6]來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中的服務(wù)器端的功能部分。設(shè)計如下：首設(shè)計并實現(xiàn)通用的抽象接口父類；然后分別在IPv4和IPv6下使用socket函數(shù)繼承此接口類，并且使用統(tǒng)一的接口格式實現(xiàn)支持IPv4和IPv6通信功能的接口類。

IPv4服務(wù)器端接口類的設(shè)計與CSrvL-stv4Thread繼承自父類CSrvThread，它提供的接口方法StartUp（）包含了父類CSrvThread所規(guī)定的主要接口方法。

IPv6服務(wù)器端接口類的設(shè)計與IPv4非常相似。IPv6服務(wù)器端通信功能的類CSrvLstv6Thread繼承自父類CSrvThread，其提供了接口方法startUp（），依照IPv6下的socket函數(shù)，其具體實現(xiàn)為：初始化Winsock，綁定本地地址并開始偵聽？實現(xiàn)原理與IPv4下的接口方法startUp（）相同，只是socket函數(shù)在兩種協(xié)議下的使用有所不同。具體流程為：首先調(diào)用WSAStartup（）函數(shù)初始化Winsock，再調(diào)用getaddrinfo（）解析服務(wù)器地址，接著創(chuàng)建socket準備偵聽；然后調(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)器地址時獲得的地址列表。具體流程與IPv4稍有區(qū)別。值得注意的是，還需要根據(jù)所開發(fā)軟件的實際需求，設(shè)計與之相配套的接收線程類，該類也需要處理少量與IPv6協(xié)議相關(guān)的細節(jié)。

5 應(yīng)用實例

使用本文提出的設(shè)計思想及設(shè)計方法，使面向雙棧的應(yīng)用編程變得相對簡單，不必過多地考慮和處理涉及IPv6協(xié)議的細節(jié)，就能使用與IPv4協(xié)議下的類似方法來編制程序，提高了開發(fā)效率?應(yīng)用實例代碼如下:

通過實例分析可以得到如下結(jié)論：在已開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)軟件的原有功能的基礎(chǔ)上，添加IPv6通信功能模塊并擴充頂層通信模塊，就可以實現(xiàn)雙棧通信。

6 結(jié)束語

隨著基于IPv6的應(yīng)用需求日益增大，IPv6取代IPv4是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，IPv6和IPv4共存是實際問題。本文結(jié)合具體實例分析和闡述了IPv4/IPv6雙棧通信的優(yōu)點，并在設(shè)計的模塊中提出了實用性較強的方法。

［1］黃偉，刁海南等.一種嵌入式IPv4/IPv6雙棧協(xié)議的實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2008，（24）：30-32.

［2］楊濤等譯，Steve Shah著，Linux管理員指南［M］.機械工業(yè)出版社，2005.

［3］周遜著，IPv6—下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心［M］.電子工業(yè)出版社，2003.

［4］安燕，方濱興.基于SOCKET協(xié)議的IPv4/IPv6轉(zhuǎn)換器［J］.高通信技術(shù)，2002，（11）：30-35.

［5］鄒建峰.基于雙棧的 IPv6翻譯方案即實現(xiàn)［J］.計算機工程與應(yīng)用，2003，（2）：23-24.

［6］張愛華等.IPv6協(xié)議下域名系統(tǒng)的擴展與實現(xiàn)［J］.微機發(fā)展，2004，（7）：79-81.