协议双栈技术在网络通信系统开发中的设计与应用

牛晓妍

（长治医学院 计算机系，山西 长治 046000）

1 引言

随着互联网的快速发展，传统的互联网协议IPv4存在路由选择效率低、IP地址匮乏、服务质量差等诸多问题。针对以上情况，下一代互联网协议IPv6做了较大改进，并新增加了一些特性，例如改进的路由结构、庞大的地址空间、完善的服务质量保证等等。

但是现有的网络结构都是以网际互联协议IPv4为基础构建的，所以IPv4向IPv6的转变将是一个漫长的过程，在这一过程中IPv4与IPv6两种协议将会长期共存。因此当前不仅要考虑Ipv4向Ipv6的过度，而且应研究如何在IPv4和IPv6两种协议共存的情况下，更好、更安全地保证网络可靠的通信传输。

2 IPv4向IPv6的过渡技术简介

目前已有的过渡技术[1]有三种：

（1）双协议栈（Dual Stack）：这种技术就是在同一节点上同时支持IPv4协议栈和IPv6协议栈。

（2）隧道技术（手动隧道、自动隧道、6to4，6over4）：基于IPv4隧道的IPv6是由路由器将IPv6的数据分组封装入IPv4数据包中，以此来实现在现有的IPv4网络中IPv6节点和IPv4节点之间的IP通信。这个过程比较复杂，分为打包？解包和隧道管理[2]75-783个步骤。

（3）NAT-PT（Network Address Translation-Protocol Translation）：其核心是地址和协议的转换。

3 双协议栈的运行机制及工作过程

3.1 IPv4/IPv6双协议栈体系模型

双协议栈是指在同一个网络结点同时支持IPv4和IPv6两种协议栈。因为IPv4和IPv6在形式、功能等方面如出一辙，所以IPv6是IPv4的改进版本[3]101-111。IPv4和IPv6这两种网络层协议基于相同的物理平台，而且加载于其上的传输层协议（TCP/UDP）也极其相似，所以无论从理论上，还是实践上都可以实现支持双协议栈的结点既能与支持IPv4协议的结点通信，又能与支持IPv6协议的结点通信。双协议栈的概念模型如图1所示：

图1 双协议栈模型

在双协议栈体系模型中，大部分采用了节点技术完成IPv4向IPv6过度[4]。节点模型如图2所示。

图2 节点模型

4 IPv4/IPv6双栈的通信系统的设计

系统的主体结构采用socket技术，并提供client/server通信模式。采用socket函数来进行IPv4和IPv6下的网络编程存在很多弊端，如：IPv4协议下的网络软件系统在向支持IPv6协议的网络系统的升级[5]过程中存在一些问题。针对这个现实难题，本文提出了解决方案：首先设计和实现一组网络通信功能的接口；然后分别在IPv4和IPv6下使用socket函数设计和实现网络通信功能，最终屏蔽了IPv4和IPv6在网络编程方面的差异。系统的主体结构程序实现流程图如图3所示。

图3 主体结构程序实现流程图

4.1 客户端模块的设计

该模块使用类继承的思想实现网络通信中的客户端功能部分。设计如下：首先设计并实现通用的抽象接口父类；然后分别在IPv4和IPv6下使用socket函数继承此抽象接口父类并实现通信功能的具体接口类。

下面具体举例说明父类Client的实现代码。

4.2 服务器端模块的设计

该模块同样采用类继承的思想[6]来实现网络通信中的服务器端的功能部分。设计如下：首设计并实现通用的抽象接口父类；然后分别在IPv4和IPv6下使用socket函数继承此接口类，并且使用统一的接口格式实现支持IPv4和IPv6通信功能的接口类。

IPv4服务器端接口类的设计与CSrvL-stv4Thread继承自父类CSrvThread，它提供的接口方法StartUp（）包含了父类CSrvThread所规定的主要接口方法。

IPv6服务器端接口类的设计与IPv4非常相似。IPv6服务器端通信功能的类CSrvLstv6Thread继承自父类CSrvThread，其提供了接口方法startUp（），依照IPv6下的socket函数，其具体实现为：初始化Winsock，绑定本地地址并开始侦听？实现原理与IPv4下的接口方法startUp（）相同，只是socket函数在两种协议下的使用有所不同。具体流程为：首先调用WSAStartup（）函数初始化Winsock，再调用getaddrinfo（）解析服务器地址，接着创建socket准备侦听；然后调用bind（）将该socket绑定到本地；最后调用listen（）开始侦听并调用freeaddrinfo（）释放解析服务器地址时获得的地址列表。具体流程与IPv4稍有区别。值得注意的是，还需要根据所开发软件的实际需求，设计与之相配套的接收线程类，该类也需要处理少量与IPv6协议相关的细节。

5 应用实例

使用本文提出的设计思想及设计方法，使面向双栈的应用编程变得相对简单，不必过多地考虑和处理涉及IPv6协议的细节，就能使用与IPv4协议下的类似方法来编制程序，提高了开发效率?应用实例代码如下:

通过实例分析可以得到如下结论：在已开发的网络软件的原有功能的基础上，添加IPv6通信功能模块并扩充顶层通信模块，就可以实现双栈通信。

6 结束语

随着基于IPv6的应用需求日益增大，IPv6取代IPv4是网络发展趋势，IPv6和IPv4共存是实际问题。本文结合具体实例分析和阐述了IPv4/IPv6双栈通信的优点，并在设计的模块中提出了实用性较强的方法。

［1］黄伟，刁海南等.一种嵌入式IPv4/IPv6双栈协议的实现［J］.微计算机信息，2008，（24）：30-32.

［2］杨涛等译，Steve Shah著，Linux管理员指南［M］.机械工业出版社，2005.

［3］周逊著，IPv6—下一代互联网的核心［M］.电子工业出版社，2003.

［4］安燕，方滨兴.基于SOCKET协议的IPv4/IPv6转换器［J］.高通信技术，2002，（11）：30-35.

［5］邹建峰.基于双栈的 IPv6翻译方案即实现［J］.计算机工程与应用，2003，（2）：23-24.

［6］张爱华等.IPv6协议下域名系统的扩展与实现［J］.微机发展，2004，（7）：79-81.