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IPv6與IPv4的兼容

本文轉載自   查看原文   2020-11-20 23:15   1443    coding

IPv6出來已經很多年，雖然距離普及還很遠，但項目里要加上，有沒有人用是一碼事，但不加上肯定過不了審。IPv6最大的問題是包格式與IPv4不兼容

IPv4包格式

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

IPv6包格式

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version| Traffic Class |           Flow Label                  |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Payload Length        |  Next Header  |   Hop Limit   |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                                                               |
   +                                                               +
   |                                                               |
   +                         Source Address                        +
   |                                                               |
   +                                                               +
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   +                                                               +
   |                                                               |
   +                      Destination Address                      +
   |                                                               |
   +                                                               +
   |                                                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

作為一個程序員，粗略一看，這個應該是兼容的啊。畢竟前4bit都是版本號，拿到數據包時，判斷一下版本號，根據不同的版本號做不同的處理，即可做兼容，很多軟件都是這么做的。然而問題是，IP數據包涉及的不僅僅是軟件，還有硬件，比如路由器。當一個數據包經過路由器時，它需要解析包頭里的數據，得到目標地址，才知道數據包轉發到哪里。如果這個包頭格式不一樣了，那這個數據包就無法正常轉發。對於軟件，可以重新發布一個版本來解決，但絕大部分的家用路由器，是不帶更新功能的，那要讓它支持Ipv6，只能扔掉買一個新的。在現實生活中，一個數據包的傳輸，可能會經過很多路由的，例如

客戶端 --------> 家庭路由 --------> 小區路由 --------> ISP主路由 --------> 服務器

當這個問題擴大到整個社會，就會有無數的家庭路由，無數的小區路由。ISP的主路由和服務器由於商業的驅動，可以及時更新，而無數的家庭路由，無數的小區路由，顯然沒法短時間內全部更新，也沒必要更新。

目前的情況是，客戶端、路由器都有可能支持IPv6，也有可能都不支持，因此IPv4和IPv6的兼容是必須得做的，不然就可能失去一部分用戶了。這個兼容是指“不管客戶端以及所經過的路由是IPv4還是IPv6，不管服務器是IPv6還是IPv4，兩者都能正常進行交互”。排除正常的條件（（如：客戶端為IPv6，服務器也是IPv6）的情況，需要特殊處理的情況為IPv4訪問IPv6和IPv6訪問IPv4。

NAT64 & DNS64

既然IPv6和IPv4兼容性是由它們的IP報文不一樣，那么可以弄一個專門轉換報文的服務，即NAT64（Network Address Translation IPv6 to IPv4）。而一個IPv6客戶端想把一個報文發往一個IPv4服務器，就需要一個包含IPv4地址的IPv6地址，這由一個特殊的DNS服務提供，即DNS64。

假如現在有一台IPv4的服務器，因無人維護無法升級到IPv6，但用戶已更換了新手機，新路由器，升級到了IPv6。那這時候需要給這台服務器配置NAT64和DNS64，否則用戶就訪問不了了。

  1. 運維部署一台NAT64服務器（自建，也可以是雲服務商提供的服務器），配置好服務器的IPv4地址（以192.168.0.100為例）和IPv6前綴（一般是64:ff9b::/96 ）
  2. 運維在DNS64服務器（DNS64服務器可能是自建，也可能是公共DNS64服務器，也可以是雲服務商提供的服務器）把域名指向NAT64服務器的IPv4地址（以192.168.0.101為例）及前綴（必須和NAT64配置的前綴一致）
  3. IPv6客戶端需要和服務器通信，根據域名發起IPv6 DNS查詢，由於服務器不支持IPv6，所以沒有查詢到。但是DNS64服務器發現了一個IPv4的地址，於是把這個IPv4加上前綴，得到一個IPv6地址，即64:ff9b::192.168.0.101，於是客戶端往這個地址發請求。
  4. NAT64收到IPv6數據包，會解析IP地址的前綴，發現和運維配置的前綴一致，於是把這個數據包轉換為一個IPv4數據包，按NAT規則往配置好的服務器地址發送IPv4數據包
  5. IPv4服務器收到IPv4數據包，返回IPv4數據包
  6. NAT64收到服務器返回的數據包，按NAT規則轉換為IPv6數據包，返回給IPv6客戶端，完成了交互
  DNS64
  ^   |
  |   |
  |   v
IPv6客戶端 --------> IPv6路由器 --------> NAT64(192.168.0.101) --------> IPv4服務器(192.168.0.100)

NAT64原本設計的目的是讓IPv6客戶端訪問IPv4，而不是IPv4訪問IPv6。因為IPv4是舊標准，既然服務器支持IPv6，說明是從IPv4升級而來的，那保留IPv4功能即可，一般用不着NAT轉換。但事情也不是這么絕對，因此雖然很少有人提及，但還是有NAT46這種東西的，見：NAT64 - NAT46。

  1. 運維部署NAT46服務器
  2. 運維在DNS46把域名指向NAT46服務器（NAT46服務器最好有一個公網IPv4地址，沒有的話據說DNS46會做一個臨時mapping，我覺得是個大問題，除非部署在私有網絡）
  3. IPv4客戶端查詢域名得到一個IPv4地址，往這個地址發一個IPv4數據包
  4. NAT46服務器收到一個IPv4數據包，把這個IPv4的地址加上一個前綴得到IPv6地址，然后按NAT規則往服務器發送IPv6數據包
  5. IPv6服務器收到IPv6數據包，正常返回IPv6數據包
  6. NAT46服務器收到返回的IPv6數據包，轉換為IPv4數據往，返回給IPv4客戶端
   DNS
  ^   |
  |   |
  |   v
IPv4客戶端 --------> IPv4路由器 --------> NAT46(192.168.0.101) --------> IPv6服務器

可以看到，NAT46其實是NAT64反過來的，實際上它和NAT64服務器回包的流程基本一致，因此大部分NAT64服務配置一下，都能支持NAT46，比如NE40E。

而對於DNS，雖然有純IPv4的DNS，也有純IPv6的DNS，但是一般都會升級為DNS64，即可支持IPv4的域名查詢，也可以支持IPv6的查詢，例如114.114.114.114是一個很常見的IPv4 DNS服務器，但也可以返回IPv6的地址

~$ nslookup -type=AAAA www.google.com 114.114.114.114
Server:		114.114.114.114
Address:	114.114.114.114#53

Non-authoritative answer:
Name:	www.google.com
Address: 2001::4a7d:278a

NAT64是在運維層面去解決兼容性，不需要程序去做兼容。但是部署NAT64是需要成本的，你可以買硬件，也可以從雲服務那里買整套服務，但這都是白花花的銀子啊。對於大部分公司而言，他們的產品是有程序員去維護，可以從程序做兼容，而不需要花這一筆錢。

Dual Stack

從另一個角度來看，既然IPv4和IPv6不兼容，那就沒必要讓它們兼容。可以同時開啟IPv4和IPv6，這樣各走各的路，互不干擾。那這就需要同時實現IPv4和IPv6協議棧，即雙棧（Dual Stack）。

現在新的路由和和操作系統基本都是支持雙棧的，例如ubuntu 20.04下通過ip a可以查看

~$ ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: enp2s0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether b4:b5:2f:91:fe:21 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.3.6/24 brd 192.168.3.255 scope global dynamic noprefixroute enp2s0
       valid_lft 73235sec preferred_lft 73235sec
    inet6 fe80::f2a1:25a2:d365:468c/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

可以看到，網卡2有兩個地址：inet 192.168.3.6和inet6 fe80::f2a1:25a2:d365:468c，說明支持雙棧。不過這里不打算細說這些設備，作為一個程序員更關注的是怎么實現雙棧程序。

最簡單的辦法，同時開兩個socket，一個IPv4，一個IPv6，問題是這樣寫代碼有點復雜。在IPv6出來的時候，在系統的底層庫提供了雙棧的接口，直接調用就可以了。

  • 服務端
// 以IPv6進行監聽
int fd = ::socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);

// 把ipv6 only關掉，這樣會同時開啟兩個監聽，一個IPv4，一個IPv6
// 允許v4的連接以 IPv4-mapped IPv6 的形式連進來
int optval = 0;
if (setsockopt(fd, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY, (char *)&optval, sizeof(optval)) < 0)
{
    return -1;
}

struct sockaddr_in6 sk_socket;
memset(&sk_socket, 0, sizeof(sk_socket));
sk_socket.sin6_family = AF_INET6;
sk_socket.sin6_port   = htons(port);

// 使用新的接口inet_pton，它即支持IPv4，也支持IPv6，所以host可以傳::ffff:127.0.0.1，
// 也可以傳fe80::f2a1:25a2:d365:468c，但不能直接傳127.0.0.1，可以用getaddinfo轉換
if (inet_pton(AF_INET6, host, &sk_socket.sin6_addr) < 0)
{
    return -1;
}

if (::bind(fd, (struct sockaddr *)&sk_socket, sizeof(sk_socket)) < 0)
{
    return -1;
}

if (::listen(fd, 256) < 0)
{
    return -1;
}

return 0;
  • 客戶端
// 創建IPv6連接
int fd = ::socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);

struct sockaddr_in6 sk_socket;
memset(&sk_socket, 0, sizeof(sk_socket));
sk_socket.sin6_family = AF_INET6;
sk_socket.sin6_port   = htons(port);

// 使用新的接口inet_pton，host可以傳::ffff:127.0.0.1，
// 也可以傳fe80::f2a1:25a2:d365:468c，但不能直接傳127.0.0.1，可以用getaddinfo轉換
if (inet_pton(AF_INET6, host, &sk_socket.sin6_addr) < 0)
{
    return -1;
}

if (::connect(fd, (struct sockaddr *)&sk_socket, sizeof(sk_socket)) < 0)
{
    return -1;
}

return 0;
  • DNS查詢
int32 Socket::get_addr_info(std::vector<std::string> &addrs, const char *host)
{
    struct addrinfo hints;
    memset(&hints, 0, sizeof(hints));
    hints.ai_family   = AF_INET6;
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;

    hints.ai_flags = AI_V4MAPPED; // 目標無ipv6地址時，返回v4-map-v6地址

    hints.ai_protocol  = 0; /* Any protocol */
    hints.ai_canonname = NULL;
    hints.ai_addr      = NULL;
    hints.ai_next      = NULL;

    struct addrinfo *result;
    if (0 != getaddrinfo(host, nullptr, &hints, &result))
    {
        return -1;
    }

    char buf[INET6_ADDRSTRLEN];
    for (struct addrinfo *rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)
    {
        if (inet_ntop(rp->ai_family,
                      &((struct sockaddr_in6 *)rp->ai_addr)->sin6_addr, buf,
                      sizeof(buf)))
        {
            addrs.emplace_back(buf);
        }
        else
        {
            return -1;
        }
    }
    freeaddrinfo(result);

    return 0;
}

上面的代碼是從我的工程里拷貝而來，不一定能直接運行，僅供參考，詳見原文件socket.cpp。執行服務端的程序后，可以用telnet測試效果

root@debian:/home# netstat -lp | grep master
tcp6       0      0 [::]:8182               [::]:*                  LISTEN      1458/./master
root@debian:/home# telnet 127.0.0.1 8182
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
^C^]
telnet> quit
Connection closed.
root@debian:/home# telnet -6 ::1 8182
Trying ::1...
Connected to ::1.
Escape character is '^]'.
^]
telnet> quit
Connection closed.
root@debian:/home#

PS

  1. 用::1去監聽時，只能通過::1來連接，用127.0.0.1是不行的。用::監聽則可以用::1或者127.0.0.1連接

  2. Linux下，同一個程序以Dual Stack模式監聽時，netstat只顯示IPv6的監聽（上面telnet測試就只grep到一個記錄），而部分程序（如sshd）則顯示兩個，猜測可能是開了兩個socket監聽而不是用雙棧實現。而Win下同一個程序則是顯示兩個記錄。

# linux
root@debian:/home# netstat -lp | grep sshd
tcp        0      0 0.0.0.0:ssh             0.0.0.0:*               LISTEN      595/sshd
tcp6       0      0 [::]:ssh                [::]:*                  LISTEN      595/sshd

# win
netstat -aob
活動連接

  協議  本地地址          外部地址        狀態           PID
  TCP    0.0.0.0:27015          DESKTOP-KR5SLB1:0      LISTENING       7812
 [winipv6.exe]
  TCP    [::]:27015             DESKTOP-KR5SLB1:0      LISTENING       7812
 [winipv6.exe]

Linux的這個設定一度讓我以為我的程序沒有監聽成功，查了好久Bug。也有人遇到同樣的問題，不過官方沒有確認為bug，見https://bugs.launchpad.net/ubuntu/+source/net-tools/+bug/657270

  1. 雙棧雖然可以接受IPv4連接，但實際上是以IPv6模式來處理的，因此獲得到的IP地址為::ffff:192.0.2.1這種IPv4-mapped IPv6的格式，而不是原生的IPv4地址

  2. ::ffff:127.0.0.1雖然是一個IPv6地址，但它不是::1，而是是等同於127.0.0.1。即監聽::ffff:127.0.0.1時，只能從127.0.0.1連接，用::1是連不上的。如果開啟IPV6_V6ONLY，無法監聽這個地址的，在win下拋出一個1049錯誤。我猜測IPv6這個協議段都是用來做兼容的，原生的IPv6不使用這個號段。

  3. ::ffff:c000:201和::ffff:192.0.2.1這兩個地址是相同，把::ffff:c000:201用getaddrinfo解析，得到的就是::ffff:192.0.2.1,它們的轉換算法：

IP 192.0.2.1 的十六進制轉換為0xC0000201
192 十六進制是 c0
0   十六進制是 00
2   十六進制是 02
1   十六進制是 01

可以在線直接轉換：IPv6 to IPv4 IPv4 to IPv6

客戶端的連接處理

服務端如果需要對外部署的話，無論是自建服務器還是雲服務器，在部署的時候都能夠知道是否支持IPv6，但客戶端並是不能確定的。公司可以發布一個支持IPv6的客戶端，但即使查詢IPv6的DNS成功，也無法保證客戶端到服務器之間的所有設備都支持IPv6，DNS查詢成功只是表示客戶端到DNS服務器之間的IPv6鏈路是通的，與服務器不是同一條鏈路，直接用IPv6去連服務器可能會失敗。IETF推薦的做法是：優先查詢IPv6地址，然后是IPv4地址，一個個嘗試去連接。沒看錯，就是for循環一個個去試。

域名檢測

想測試一個域名是否支持IPv6，有很多工具，比如nslookup -type=AAAA www.google.com 114.114.114.114，也可以在線測試，例如https://www.boce.com/ipv6/


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