IPv6与IPv4的兼容

IPv6出来已经很多年，虽然距离普及还很远，但项目里要加上，有没有人用是一码事，但不加上肯定过不了审。IPv6最大的问题是包格式与IPv4不兼容

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   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
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   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
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   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
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   |                       Source Address                          |
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   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
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IPv6包格式

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   |Version| Traffic Class |           Flow Label                  |
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   |         Payload Length        |  Next Header  |   Hop Limit   |
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   +                         Source Address                        +
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作为一个程序员，粗略一看，这个应该是兼容的啊。毕竟前4bit都是版本号，拿到数据包时，判断一下版本号，根据不同的版本号做不同的处理，即可做兼容，很多软件都是这么做的。然而问题是，IP数据包涉及的不仅仅是软件，还有硬件，比如路由器。当一个数据包经过路由器时，它需要解析包头里的数据，得到目标地址，才知道数据包转发到哪里。如果这个包头格式不一样了，那这个数据包就无法正常转发。对于软件，可以重新发布一个版本来解决，但绝大部分的家用路由器，是不带更新功能的，那要让它支持Ipv6，只能扔掉买一个新的。在现实生活中，一个数据包的传输，可能会经过很多路由的，例如

客户端 --------> 家庭路由 --------> 小区路由 --------> ISP主路由 --------> 服务器

当这个问题扩大到整个社会，就会有无数的家庭路由，无数的小区路由。ISP的主路由和服务器由于商业的驱动，可以及时更新，而无数的家庭路由，无数的小区路由，显然没法短时间内全部更新，也没必要更新。

目前的情况是，客户端、路由器都有可能支持IPv6，也有可能都不支持，因此IPv4和IPv6的兼容是必须得做的，不然就可能失去一部分用户了。这个兼容是指“不管客户端以及所经过的路由是IPv4还是IPv6，不管服务器是IPv6还是IPv4，两者都能正常进行交互”。排除正常的条件（（如：客户端为IPv6，服务器也是IPv6）的情况，需要特殊处理的情况为IPv4访问IPv6和IPv6访问IPv4。

NAT64 & DNS64

既然IPv6和IPv4兼容性是由它们的IP报文不一样，那么可以弄一个专门转换报文的服务，即NAT64（Network Address Translation IPv6 to IPv4）。而一个IPv6客户端想把一个报文发往一个IPv4服务器，就需要一个包含IPv4地址的IPv6地址，这由一个特殊的DNS服务提供，即DNS64。

假如现在有一台IPv4的服务器，因无人维护无法升级到IPv6，但用户已更换了新手机，新路由器，升级到了IPv6。那这时候需要给这台服务器配置NAT64和DNS64，否则用户就访问不了了。

运维部署一台NAT64服务器（自建，也可以是云服务商提供的服务器），配置好服务器的IPv4地址（以192.168.0.100为例）和IPv6前缀（一般是64:ff9b::/96 ）
运维在DNS64服务器（DNS64服务器可能是自建，也可能是公共DNS64服务器，也可以是云服务商提供的服务器）把域名指向NAT64服务器的IPv4地址（以192.168.0.101为例）及前缀（必须和NAT64配置的前缀一致）
IPv6客户端需要和服务器通信，根据域名发起IPv6 DNS查询，由于服务器不支持IPv6，所以没有查询到。但是DNS64服务器发现了一个IPv4的地址，于是把这个IPv4加上前缀，得到一个IPv6地址，即64:ff9b::192.168.0.101，于是客户端往这个地址发请求。
NAT64收到IPv6数据包，会解析IP地址的前缀，发现和运维配置的前缀一致，于是把这个数据包转换为一个IPv4数据包，按NAT规则往配置好的服务器地址发送IPv4数据包
IPv4服务器收到IPv4数据包，返回IPv4数据包
NAT64收到服务器返回的数据包，按NAT规则转换为IPv6数据包，返回给IPv6客户端，完成了交互

  DNS64
  ^   |
  |   |
  |   v
IPv6客户端 --------> IPv6路由器 --------> NAT64(192.168.0.101) --------> IPv4服务器(192.168.0.100)

NAT64原本设计的目的是让IPv6客户端访问IPv4，而不是IPv4访问IPv6。因为IPv4是旧标准，既然服务器支持IPv6，说明是从IPv4升级而来的，那保留IPv4功能即可，一般用不着NAT转换。但事情也不是这么绝对，因此虽然很少有人提及，但还是有NAT46这种东西的，见：NAT64 - NAT46。

运维部署NAT46服务器
运维在DNS46把域名指向NAT46服务器（NAT46服务器最好有一个公网IPv4地址，没有的话据说DNS46会做一个临时mapping，我觉得是个大问题，除非部署在私有网络）
IPv4客户端查询域名得到一个IPv4地址，往这个地址发一个IPv4数据包
NAT46服务器收到一个IPv4数据包，把这个IPv4的地址加上一个前缀得到IPv6地址，然后按NAT规则往服务器发送IPv6数据包
IPv6服务器收到IPv6数据包，正常返回IPv6数据包
NAT46服务器收到返回的IPv6数据包，转换为IPv4数据往，返回给IPv4客户端

   DNS
  ^   |
  |   |
  |   v
IPv4客户端 --------> IPv4路由器 --------> NAT46(192.168.0.101) --------> IPv6服务器

可以看到，NAT46其实是NAT64反过来的，实际上它和NAT64服务器回包的流程基本一致，因此大部分NAT64服务配置一下，都能支持NAT46，比如NE40E。

而对于DNS，虽然有纯IPv4的DNS，也有纯IPv6的DNS，但是一般都会升级为DNS64，即可支持IPv4的域名查询，也可以支持IPv6的查询，例如114.114.114.114是一个很常见的IPv4 DNS服务器，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是在运维层面去解决兼容性，不需要程序去做兼容。但是部署NAT64是需要成本的，你可以买硬件，也可以从云服务那里买整套服务，但这都是白花花的银子啊。对于大部分公司而言，他们的产品是有程序员去维护，可以从程序做兼容，而不需要花这一笔钱。

Dual Stack

从另一个角度来看，既然IPv4和IPv6不兼容，那就没必要让它们兼容。可以同时开启IPv4和IPv6，这样各走各的路，互不干扰。那这就需要同时实现IPv4和IPv6协议栈，即双栈（Dual Stack）。

现在新的路由和和操作系统基本都是支持双栈的，例如ubuntu 20.04下通过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，网卡2有两个地址：inet 192.168.3.6和inet6 fe80::f2a1:25a2:d365:468c，说明支持双栈。不过这里不打算细说这些设备，作为一个程序员更关注的是怎么实现双栈程序。

最简单的办法，同时开两个socket，一个IPv4，一个IPv6，问题是这样写代码有点复杂。在IPv6出来的时候，在系统的底层库提供了双栈的接口，直接调用就可以了。

服务端

// 以IPv6进行监听
int fd = ::socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);

// 把ipv6 only关掉，这样会同时开启两个监听，一个IPv4，一个IPv6
// 允许v4的连接以 IPv4-mapped IPv6 的形式连进来
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可以传::ffff:127.0.0.1，
// 也可以传fe80::f2a1:25a2:d365:468c，但不能直接传127.0.0.1，可以用getaddinfo转换
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;

客户端

// 创建IPv6连接
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可以传::ffff:127.0.0.1，
// 也可以传fe80::f2a1:25a2:d365:468c，但不能直接传127.0.0.1，可以用getaddinfo转换
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查询

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; // 目标无ipv6地址时，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;
}

上面的代码是从我的工程里拷贝而来，不一定能直接运行，仅供参考，详见原文件socket.cpp。执行服务端的程序后，可以用telnet测试效果

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#

用::1去监听时，只能通过::1来连接，用127.0.0.1是不行的。用::监听则可以用::1或者127.0.0.1连接
Linux下，同一个程序以Dual Stack模式监听时，netstat只显示IPv6的监听（上面telnet测试就只grep到一个记录），而部分程序（如sshd）则显示两个，猜测可能是开了两个socket监听而不是用双栈实现。而Win下同一个程序则是显示两个记录。

# 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
活动连接

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

Linux的这个设定一度让我以为我的程序没有监听成功，查了好久Bug。也有人遇到同样的问题，不过官方没有确认为bug，见https://bugs.launchpad.net/ubuntu/+source/net-tools/+bug/657270

双栈虽然可以接受IPv4连接，但实际上是以IPv6模式来处理的，因此获得到的IP地址为::ffff:192.0.2.1这种IPv4-mapped IPv6的格式，而不是原生的IPv4地址
::ffff:127.0.0.1虽然是一个IPv6地址，但它不是::1，而是是等同于127.0.0.1。即监听::ffff:127.0.0.1时，只能从127.0.0.1连接，用::1是连不上的。如果开启IPV6_V6ONLY，无法监听这个地址的，在win下抛出一个1049错误。我猜测IPv6这个协议段都是用来做兼容的，原生的IPv6不使用这个号段。
::ffff:c000:201和::ffff:192.0.2.1这两个地址是相同，把::ffff:c000:201用getaddrinfo解析，得到的就是::ffff:192.0.2.1,它们的转换算法：

IP 192.0.2.1 的十六进制转换为0xC0000201
192 十六进制是 c0
0   十六进制是 00
2   十六进制是 02
1   十六进制是 01

可以在线直接转换：IPv6 to IPv4 IPv4 to IPv6

客户端的连接处理

服务端如果需要对外部署的话，无论是自建服务器还是云服务器，在部署的时候都能够知道是否支持IPv6，但客户端并是不能确定的。公司可以发布一个支持IPv6的客户端，但即使查询IPv6的DNS成功，也无法保证客户端到服务器之间的所有设备都支持IPv6，DNS查询成功只是表示客户端到DNS服务器之间的IPv6链路是通的，与服务器不是同一条链路，直接用IPv6去连服务器可能会失败。IETF推荐的做法是：优先查询IPv6地址，然后是IPv4地址，一个个尝试去连接。没看错，就是for循环一个个去试。

域名检测

想测试一个域名是否支持IPv6，有很多工具，比如nslookup -type=AAAA www.google.com 114.114.114.114，也可以在线测试，例如https://www.boce.com/ipv6/