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两个要解决的问题

现代网络中，IPv4, IPv6 共存的情况日益增加，而这两种协议的地址格式，地址解析的 API 各不同，程序员必须面对如下两个问题并且合理地解决这些问题。

1. 怎么准确识别用户输入的地址或者域名是属于 IPv4 网络还是 IPv6 网络？ 
   
   
2. 怎么屏蔽网络连接细节，提供给用户一个统一的接口？ 
   
   

IPv4 与 IPv6 对比

目前我们使用的第二代互联网 IPv4 技术，它的最大问题是网络地址资源有限，IPv6 是“Internet Protocol Version 6”的缩写，它是 IETF 设计的用于替代现行版本 IP 协议 -IPv4- 的下一代 IP 协议。与 IPV4 相比，IPv6 具有更大的地址空间。IPv4 中规定 IP 地址长度为 32 位；而 IPv6 中 IP 地址的长度为 128 位。

在 IPv4 网络下，网络编程主要依靠的是 socket 连接。在客户端，其基本步骤如下，创建一个 socket，使用 socket 连接服务器，最后通过 TCP 或者 UDP 协议进行数据读写。如果把这套方法移植到 IPv6 网络下，就需要在原来的基础上引入新的协议族、新的数据结构以及新的地址域名转换函数等。具体的一些差异如 图 1所示：

在这里要稍微介绍下 getaddrinfo（）函数，它提供独立于协议的名称解析。函数的前两个参数分别是节点名和服务名。节点名可以是主机名，也可以是地址串 (IPv4 的点分十进制数表示或 IPv6 的十六进制数字串 )。服务名可以是十进制的端口号，也可以是已定义的服务名称，如 ftp、http 等。函数的第三个参数 hints 是 addrinfo 结构的指针，由调用者填写关于它所想返回的信息类型的线索。函数的返回值是一个指向 addrinfo 结构的链表指针 res。详见 图 2。

getaddrinfo 函数之前通常需要对以下 6 个参数进行以下设置：nodename、servname、hints 的 ai_flags、ai_family、ai_socktype、ai_protocol。在 6 项参数中，对函数影响最大的是 nodename，sername 和 hints.ai_flag。而 ai_family 只是有地址为 v4 地址或 v6 地址的区别。而 ai_protocol 一般是为 0 不作改动。其中 ai_flags、ai_family、ai_socktype。说明如 图 3所示：

getaddrinfo 函数在 IPv6 和 IPv4 网络下都能实现独立于协议的名称解析，而且它返回的指向 addrinfo 结构的链表中会存放所有由输入参数 nodename 解析出的所有对应的 IP 信息，包括 IP 地址，协议族信息等。所以只要对 const struct addrinfo* hints 进行一些配置，就可以利用这个函数来识别连接目标的网络协议属性，进而根据其网络协议族而进行准确的连接操作。这样就解决了我们提出的第一个问题。具体的函数实现如下 清单 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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代码结构设计

对于用户来说，他们只想实现网络连接，而并不希望了解太多网络连接上冗繁的细节。如何屏蔽 IPv4 和 IPv6 网络的差异性，让用户使用统一的函数接口来完成操作，就成为我们的第二个课题。 程序中申明了一个基类叫 BaseSocket，继承于它的两个子类 SocketV4 和 SocketV6 分别负责有关 IPv4、IPv6 网络环境下的各种操作。详见 图 4。

在设计 BaseSocket 类的时候，并没有把它作为一个单纯的基类来使用，而是把它设计成了一个 SocketV4 和 SocketV6 的代理类。我们都知道，C++ 支持向上类型转换（取一个对象的地址，并将其作为基类的地址使用），结合虚函数能够实现多态性，我们就在这里使用一个基类的指针使其指向不同的子类实例，并把这些指针放到一个容器内。这样设计的初衷是希望外部使用者只使用类的公共接口，享受类的服务，而无需关注类的内部实现细节。具体来说，就是在 IPv4、IPv6 同时存在的网络环境下，用户只需要享用 BaseSocket 类提供出的公共服务，而无需关注具体网络环境下网络操作的差异性。 为了达到上述的目的，BaseSocket 类的设计主要做了了以下几点处理：

1. 把构造和析构函数隐藏起来（单件模式）
   

   在 BaseSocket 的函数申明中，通常作为类公共成员的构造函数和析构函数被塑造成了 protected 成员函数。而开放给用户创建真正操作对象的函数却是 CreateSmartSocket()。CreateSmartSocket() 函数会动态地根据网络环境创建合适的子类 SocketV4 或者 SocketV6，使用的方法就是调用上文中提到的 getaddrinfo() 函数。生成的子类对象都存储在静态 smartSocketmap 中。这样设计的原因是在于如果不这样做，用户就必须根据不同的网络来创建属于 IPv4 或者 IPv6 网络的 socket 子类，然后分别调用他们的成员函数，这样繁琐又不利于用户代码的维护和扩展。smartSocketmap 以这样的设计为用户构建对象创作的一个统一的接口，在不同网络下，只需要维护一套统一的代码，而无需为不同网络下的实现细节而费神。

   
   
2. 向用户提供代理对象
   

   在 BaseSocket 类中申明了两个 BaseSocket 类型的指针，一个是 smartSocket，另外一个是 m_cursocket。BaseSocket* smartSocket 是一个静态的全局代理指针，用户只通过它来进行网络操作。在客户程序中，只存在一份由 CreateSmartSocket() 函数创建的 smartSocket 的副本，这是因为在每次需要网络连接时网络环境相应是固定的，不会由 v4 网络突然转变成 v6 网络，一个副本在运行时已经满足使用需求。CreateSmartSocket() 函数会先去侦测存储空间堆上是否已经存在 smartSocket 指针，存在的话就会调用 DeleteSmartSocket() 删除之前创建的副本，然后再创建一个新的 smartSocket 指针，提供给用户使用。而 m_cursocket 是指向真正操作对象（子类）的指针。值得注意的是，m_cursocket 指针是隐藏在 BaseSocket 类中的，而 smartSocket 正是 BaseSocket 类为 m_cursocket 封装的一层代理指针。用户所知的仅仅是调用了 smartSocket 的某个成员函数，而实际上，程序通过把 m_cursocket 定位到 map smartSocketmap 中的某一项，获得了真正的 SocketV4 或者 SocketV6 对象。

   
   
   图 5. 对象结构图
    
   
   
   
   图 6. 获取 smartSocket 对象流程图
    
   
   

   图 5和 图 6就展示了程序如何根据用户输入的地址信息判断网络类型，继而创建 smartSocket 对象的过程。

   
   
3. 使用虚函数（实现多态性）
   

   在基类中，主要操作的函数都被申明为虚函数。如果编译器发现一个类中有被声明为 virtual 的函数，就会为其生成一个虚函数表，也就是 VTABLE。VTABLE 实际上是一个函数指针的数组，每个虚函数占用这个数组的一个位置。派生类有自己的 VTABLE，但是派生类的 VTABLE 与基类的 VTABLE 有相同的函数排列顺序，同名的虚函数被放在两个数组的相同位置上。在创建类实例的时候，编译器还会在每个实例的内存布局中增加一个 vptr 字段，该字段指向本类的 VTABLE。C++ 对于虚函数的调用采用晚捆绑，从而能够实现多态性。 在程序中，m_cursocket 虽然是一个基类指针，但它指向的却是一个子类对象地址。由于这样的转换是子类向上转换，所以是安全的。指向正确的子类对象后，如果需要调用成员函数，就能通过本实例中的 vptr 指针指向本类的 VTABLE，由此获得正确的子类成员函数的地址来进行操作。

   
   
   图 7. 利用 smartSocket 对象进行网络连接流程图
    
   
   
   

图 7描述了 m_cursocket 如何进行类型转换，获得准确的子类对象，并且调用子类 Connect 函数的过程。

综上所述，通过以上三点，就可以降低用户程序和网络操作 Socket 部分的耦合性。让用户容易地实现他们所需要的网络连接，而不必要太关注网络环境的细节。同样，因为耦合性降低，有关 Socket 代码部分的更新和维护也相对方便，不会牵一发而动全身。

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OpenSSL 之 https 应用案例

下面我们展示一个网络连接实例，在这个实例中，我们会使用到 SSL 连接。众所周知，有些 server 或者网站会启用 SSL 进行安全连接，那么对于这一类的网络连接就不是简单的使用 socket 可以解决的，我们必须借用 OpenSSL 来帮助我们实现。通常我们的底层数据是用 OpenSSL 的 BIO 对象来处理的，借助 BIO_new_ssl(), BIO_new_accept() 等函数轻松实现 IPv4 环境下的网络安全连接。然而这些方法在 IPv6 的环境下却没有实现很好的支持。为此，我们需要另辟蹊径来达成我们的目标。经过一段时间对 OpenSSL 文档的研究，我们发现以下方法既可以实现我们安全连接的目的，又可以同时支持 IPv4 和 IPv6 两种网络环境，具有比较好的可扩展性。这个方法十分简单，那就是手工创建一个 socket，该 socket 连接了一个 IPv6 或者 IPv4 地址，然后将 socket 绑定到某个 SSL 对象上就可以实现 SSL 的连接了。

1. 网络连接
   

   这个部分首先调用 BaseSocket::GetSmartSocket（）创建了一个 HTTPsSocket，HTTPsSocket 得到的就是代理指针 smartSocket 的地址，然后试图调用 HTTPsSocket->sockConnect() 连接 SSL 端口。从调用过程可见用户根本不用关心他现在所处的网络是 IPv4 还是 IPv6 网络，只要调用统一的函数接口就可以了。如 清单 2所示。

   
   
   清单 2. smartSocket 建立网络连接
   

   /* 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
   

   这里是为了实现安全连接，对 openSSL 对象进行创建和初始化配置。如下 清单 3所示。

   
   
   清单 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. 绑定 smartSocket 到 SSL
   

   通过把 smartSocket 的系统 fd 绑定到生成的 ssl 对象上，就可以在 HTTPsSocket 上加载 openSSL 协议了。最后使用 SSL_connect() 函数进行连接。如 清单 4所示。

   
   
   清单 4. 绑定 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. 接收数据
   

   利用先建立起的 smartSocket 连接进行数据接收。如 清单 5所示。

   
   
   清单 5. 接收数据
   

   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. 发送数据
   

   利用先建立起的 smartSocket 连接进行数据发送。如 清单 6所示。

   
   
   清单 6. 发送数据
   

   /*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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小结

本文介绍了一种屏蔽 socket 网络连接细节的代码设计，该方法可以很好地适应 IPv4 和 IPv6 的网络环境，而且它提供给用户一个统一的接口，把用户从 v4 或者 v6 网络的连接细节中解放出來。

参考资料

学习

• IPv6 Guide for Windows Sockets Applications
  
  
• Using the Checkv4.exe Utility
  
  
• Appendix A: IPv4-only Source Code
  
  
• Appendix B: IP-version Agnostic Source Code
  
  
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