使用Java開發(fā)兼容 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序

使用Java開發(fā)兼容IPv6的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序IPv6背景介紹目前我們使用的是第二代互聯(lián)網(wǎng)IPv4技術(shù)，它的最大問題是網(wǎng)絡(luò)地址資源有限，從理論上講，可以編址1600萬個網(wǎng)絡(luò)、40億臺主機。但采用A、B、C三類編址方式后，可用的網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址的數(shù)目大打折扣，以至目前的IP地址近乎枯竭。網(wǎng)絡(luò)地址不足，嚴(yán)重地制約了全球互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。一方面是地址資源數(shù)量的限制，另一方面是隨著電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展計算機網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入人們的日常生活，可能身邊的每一樣?xùn)|西都需要連入全球因特網(wǎng)。在這種網(wǎng)絡(luò)空間匱乏的環(huán)境下，IPv6應(yīng)運而生。它的產(chǎn)生不但解決了網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量的問題，同時也為除電腦外的設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)在數(shù)量限制上掃清了障礙。如果說IPv4實現(xiàn)的只是人機對話，那么IPv6則擴展到任意事物之間的對話，它不僅可以為人類服務(wù)，還將服務(wù)于眾多硬件設(shè)備，如家用電器、傳感器、遠(yuǎn)程照相機、汽車等，它將是無時不在，無處不在的深入社會每個角落的真正的寬帶網(wǎng)，它所帶來的經(jīng)濟效益也將非常巨大。當(dāng)然，IPv6并非十全十美、一勞永逸，不可能解決所有問題。IPv6只能在發(fā)展中不斷完善，也不可能在一夜之間發(fā)生，過渡需要時間和成本，但從長遠(yuǎn)看，IPv6有利于互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)和長久發(fā)展。目前，國際互聯(lián)網(wǎng)組織已經(jīng)決定成立兩個專門工作組，制定相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。Java對IPv6的支持隨著IPv6越來越受到業(yè)界的重視，Java從1.4版開始支持Linux和Solaris平臺上的IPv6。1.5版起又加入了Windows平臺上的支持。相對于C++，Java很好得封裝了IPv4和IPv6的變化部分，遺留代碼都可以原生支持IPv6，而不用隨底層具體實現(xiàn)的變化而變化。那么Java是如何來支持IPv6的呢?Java網(wǎng)絡(luò)棧會優(yōu)先檢查底層系統(tǒng)是否支持IPv6，以及采用的何種IP棧系統(tǒng)。如果是雙棧系統(tǒng)，那它直接創(chuàng)建一個IPv6套接字（如圖1）。圖1.雙棧結(jié)構(gòu)對于分隔棧系統(tǒng)，Java則創(chuàng)建IPv4/v6兩個套接字（如圖2）。如果是TCP客戶端程序，一旦其中某個套接字連接成功，另一個套接字就會被關(guān)閉，這個套接字連接使用的IP協(xié)議類型也就此被固定下來。如果是TCP服務(wù)器端程序，因為無法預(yù)期客戶端使用的IP協(xié)議，所以IPv4/v6兩個套接字會被一直保留。對于UDP應(yīng)用程序，無論是客戶端還是服務(wù)器端程序，兩個套接字都會保留來完成通信。圖2.分隔棧結(jié)構(gòu)如何驗證IPv6地址IPv6地址表示從IPv4到IPv6最顯著的變化就是網(wǎng)絡(luò)地址的長度，IPv6地址為128位長度，一般采用32個十六進(jìn)制數(shù)，但通常寫做8組每組4個十六進(jìn)制的形式。例如：2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344是一個合法的IPv6地址。如果四個數(shù)字都是零，則可以被省略。2001:0db8:85a3:0000:1319:8a2e:0370:7344等同于2001:0db8:85a3::1319:8a2e:0370:7344。遵從這些規(guī)則，如果因為省略而出現(xiàn)了兩個以上的冒號的話，可以壓縮為一個，但這種零壓縮在地址中只能出現(xiàn)一次。因此：CODE:2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab2001:0DB8:0000:0000:0000::1428:57ab2001:0DB8:0:0:0:0:1428:57ab2001:0DB8:0::0:1428:57ab2001:0DB8::1428:57ab都是合法的地址，并且他們是等價的。但2001::25de::cade是非法的。（因為這樣會使得搞不清楚每個壓縮中有幾個全零的分組）。同時前導(dǎo)的零可以省略，因此：2001:0DB8:02de::0e13等于2001:DB8:2de::e13。IPv6地址校驗IPv4地址可以很容易的轉(zhuǎn)化為IPv6格式。舉例來說，如果IPv4的一個地址為2（十六進(jìn)制為0x874B2B34），它可以被轉(zhuǎn)化為0000:0000:0000:0000:0000:0000:874B:2B34或者：：874B:2B34。同時，還可以使用混合符號(IPv4-compatibleaddress)，則地址可以為：：2。在IPv6的環(huán)境下開發(fā)Java應(yīng)用，或者移植已有的IPv4環(huán)境下開發(fā)的Java應(yīng)用到IPv6環(huán)境中來，對于IPv6網(wǎng)絡(luò)地址的驗證是必須的步驟，尤其是對那些提供了UI(用戶接口)的Java應(yīng)用。所幸的是，從Java1.5開始，Sun就增加了對IPv6網(wǎng)絡(luò)地址校驗的Java支持。程序員可以通過簡單地調(diào)用方法.util.IPAddressUtil.isIPv6LiteralAddress()來驗證一個String類型的輸入是否是一個合法的IPv6網(wǎng)絡(luò)地址。為了更深入一步地了解IPv6的網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)范，及其驗證算法，筆者參閱了一些材料，包括上文所述的方法.util.IPAddressUtil.isIPv6LiteralAddress()的源代碼，以及目前網(wǎng)絡(luò)上流傳的一些IPv6網(wǎng)絡(luò)地址的正則表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)：由于IPv6協(xié)議所允許的網(wǎng)絡(luò)地址格式較多，規(guī)范較寬松(例如零壓縮地址，IPv4映射地址等)，所以導(dǎo)致了IPv6網(wǎng)絡(luò)地址的格式變化很大。Java對于IPv6網(wǎng)絡(luò)地址的驗證是通過對輸入字符的循環(huán)匹配做到的，并沒有采取正則表達(dá)式的做法。其匹配過程中還依賴于其它的Java方法。目前網(wǎng)絡(luò)上流傳的IPv6網(wǎng)絡(luò)地址驗證的正則表達(dá)式通常都只能涵蓋部分地址格式，而且表達(dá)式冗長難讀，非常不易于理解。基于通用性考慮，以及為了使驗證方法盡量簡單易讀，筆者嘗試將IPv6網(wǎng)絡(luò)地址的格式簡單分類以后，使用多個正則表達(dá)式進(jìn)行驗證。這種做法兼顧了通用性(基于正則表達(dá)式，所以方便用各種不同的編程語言進(jìn)行實現(xiàn))，以及易讀性(每個獨立的正則表達(dá)式相對簡短);并且根據(jù)測試，支持目前所有的IPv6網(wǎng)絡(luò)地址格式類型，尚未發(fā)現(xiàn)例外。以下是筆者用Java編寫的對于IPv6網(wǎng)絡(luò)地址的驗證方法。此算法可被簡單地用其它編程語言仿照重寫。清單1.驗證地址CODE://IPv6addressvalidatormatchestheseIPv6formats//::ffff:21:21|2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344//|::8a2e:0:0370:7344|2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:5//|2001:0db8::8a2e:5|::5|ffff:://Andsuchaddressesareinvalid//::8a2e:0:0370:7344.4|2001:idb8::111:11|2001::100.a2.44.55//|:2001::5publicstaticbooleanisIPV6Format(Stringip){ip=ip.trim();//inmanycasessuchasURLs,IPv6addressesarewrappedby[]return(1<Ppile(":").split(ip).length)//avalidIPv6addressshouldcontainsnolessthan1,//andnomorethan7“:”asseparators&&(Ppile(":").split(ip).length<=8)//theaddresscanbecompressed,but“::”canappearonlyonce&&(Ppile("::").split(ip).length<=2)//ifacompressedaddress&&(Ppile("::").split(ip).length==2)//ifstartswith—leadingzerosarecompressed?(((ip.substring(0,2).equals("::"))?Pattern.matches("入：：([\\da-f]{1,4}(:)){0,4}(([\\da-f]{1,4}(:)[\\da-f]{1,4})|([\\da-f]{1,4})|((\\d{1,3}.){3}\\d{1,3}))",ip):Pattern.matches("入([\\da-f]{1,4}(:|::)){1,5}(([\\da-f]{1,4}(:|::)[\\da-f]{1,4})|([\\da-f]{1,4})|((\\d{1,3}.){3}\\d{1,3}))",ip)))//ifendswith"::"-endingzerosarecompressed:((ip.substring(ip.length()-2).equals("::"))?Pattern.matches("入([\\da-f]{1,4}(:|::)){1,7}",ip):Pattern.matches("入([\\da-f]{1,4}:){6}(([\\da-f]{1,4}:[\\da-f]{1,4})|((\\d{1,3}.){3}\\d{1,3}))",ip));}}如何正規(guī)化IPv6地址在網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)中，經(jīng)常使用IP地址來標(biāo)識一個主機，例如記錄終端用戶的訪問記錄等。由于IPv6具有有零壓縮地址等多種表示形式，因此直接使用IPv6地址作為標(biāo)示符，可能會帶來一些問題。為了避免這些問題，在使用IPv6地址之前，有必要將其正規(guī)化。除了通過我們熟知的正則表達(dá)式，筆者在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)使用一個簡單的JavaAPI也可以達(dá)到相同的效果。清單2.正規(guī)化地址CODE:InetAddressinetAddr=InetAddress.getByName(ipAddr);ipAddr=inetAddr.getHostAddress();System.out.println(ipAddr);InetAddress.getByName(String)方法接受的System.out.println(ipAddr);參數(shù)既可以是一個主機名，也可以是一個IP地址字符串。我們輸入任一信息的合法IPv6地址，再通過getHostAddress()方法取出主機IP時，地址字符串ipAddr已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為完整形式。例如輸入2002:97b:e7aa::97b:e7aa,上述代碼執(zhí)行過后，零壓縮部分將被還原，ipAddr變?yōu)?002:97b:e7aa:0:0:0:97b:e7aa。如何獲取本機IPv6地址有時為了能夠注冊listener,開發(fā)人員需要使用本機的IPv6地址，這一地址不能簡單得通過InetAddress.getLocalhost()獲得。因為這樣有可能獲得諸如0:0:0:0:0:0:0:1這樣的特殊地址。使用這樣的地址,其他服務(wù)器將無法把通知發(fā)送到本機上,因此必須先進(jìn)行過濾,選出確實可用的地址。以下代碼實現(xiàn)了這一功能,思路是遍歷網(wǎng)絡(luò)接口的各個地址,直至找到符合要求的地址。清單3.獲取本機IP地址CODE:InetAddressinetAddr=InetAddress.getByName(ipAddr);ipAddr=inetAddr.getHostAddress();System.out.println(ipAddr);InetAddress.getByName(String)方法接受的參數(shù)既可以是一個主機名,也可以是一個IP地址字符串。我們輸入任一信息的合法IPv6地址,再通過getHostAddress()方法取出主機IP時,地址字符串ipAddr已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為完整形式。例如輸入2002:97b:e7aa::97b:e7aa,上述代碼執(zhí)行過后，零壓縮部分將被還原，ipAddr變?yōu)?002:97b:e7aa:0:0:0:97b:e7aa。如何獲取本機IPv6地址有時為了能夠注冊listener,開發(fā)人員需要使用本機的IPv6地址，這一地址不能簡單得通過InetAddress.getLocalhost()獲得。因為這樣有可能獲得諸如0:0:0:0:0:0:0:1這樣的特殊地址。使用這樣的地址，其他服務(wù)器將無法把通知發(fā)送到本機上，因此必須先進(jìn)行過濾，選出確實可用的地址。以下代碼實現(xiàn)了這一功能，思路是遍歷網(wǎng)絡(luò)接口的各個地址，直至找到符合要求的地址。清單3.獲取本機IP地址#div_codeimg{border:0px;}<!--CodehighlightingproducedbyActiproCodeHighlighter(freeware)http://www.CodeH/-->publicstaticStringgetLocalIPv6Address()throwsIOException{InetAddressinetAddress=null;Enumeration<NetworkInterface>networkInterfaces=NetworkInterface.getNetworkInterfaces();outer:while(networkInterfaces.hasMoreElements()){Enumeration<InetAddress>inetAds=networkInterfaces.nextElement().getInetAddresses();while(inetAds.hasMoreElements()){inetAddress=inetAds.nextElement();//Checkifit'sipv6addressandreservedaddressif(inetAddressinstanceofInet6Address&&!isReservedAddr(inetAddress)){breakouter;}}}StringipAddr=inetAddress.getHostAddress();//FilternetworkcardNointindex=ipAddr.indexOf('%');if(index>0){ipAddr=ipAddr.substring(0,index);}returnipAddr;}/***Checkifit's"localaddress"or"linklocaladdress"or*"loopbackaddress"**@paramipaddress**@returnresult*/privatestaticbooleanisReservedAddr(InetAddressinetAddr){if(inetAddr.isAnyLocalAddress()||inetAddr.isLinkLocalAddress()||inetAddr.isLoopbackAddress()){returntrue;}returnfalse;}為了支持IPv6,Java中增加了兩個InetAddress的子類:Inet4Address和Inet6Address。一般情況下這兩個子類并不會被使用到，但是當(dāng)我們需要分別處理不同的IP協(xié)議時就非常有用,在這我們根據(jù)Inet6Address來篩選地址isReservedAddr()方法過濾了本機特殊IP地址，包括“LocalAddress",“LinkLocalAddress"和“LoopbackAddress"。讀者可根據(jù)自己的需要修改過濾標(biāo)準(zhǔn)。另一個需要注意的地方是：在windows平臺上，取得的IPv6地址后面可能跟了一個百分號加數(shù)字。這里的數(shù)字是本機網(wǎng)絡(luò)適配器的編號。這個后綴并不是IPv6標(biāo)準(zhǔn)地址的一部分，可以去除。IPv4/IPv6雙環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的選擇和測試我們先看一下筆者所在的IPv4/IPv6開發(fā)測試環(huán)境及其配置方法。筆者所處的IPv4/IPv6雙環(huán)境是一個典型的“6to4”雙棧網(wǎng)絡(luò)，其中存在著一個IPv6到IPv4的映射機制，即任意一個IPv6地址2002:92a:8f7a:100:a:b:c:d在路由時會被默認(rèn)映射為IPv4地址a.b.c.d,所以路由表只有一套。在此環(huán)境內(nèi)，IPv4地址與IPv6地址的——對應(yīng)是人工保證的。如果一臺客戶機使用不匹配的IPv4和IPv6雙地址，或者同時使用DHCPv4和DHCPv6（可能會導(dǎo)致IPv4地址和IPv6地址不匹配），會導(dǎo)致IPv6的路由尋址失敗。正因為如此，為了配置雙地址環(huán)境，我們一般使用DHCPv4來自動獲取IPv4地址，然后人工配置相對應(yīng)的IPv6地址。Windows系統(tǒng)Windows2000及以下：不支持IPv6Windows2003和WindowsXP:使用Windows自帶的netsh命令行方式添加IPv6地址以及DNS，例如：C:\>netshinterfaceipv6addaddress“LocalAreaConnection"2002:92a:8f7a:100:10:13:l:2和C:\>netshinterfaceipv6adddns“LocalAreaConnection”2002:92a:8f7a:100:10::250Windows2008和WindowsVista：既可以使用Windows網(wǎng)絡(luò)屬性頁面進(jìn)行配置，也可以使用類似Windows2003和WindowsXP的netsh命令行來配置Linux系統(tǒng)（以下是IPv6的臨時配置方法，即不修改配置文件，計算機重啟后配置失效）RedhatLinux：最簡單的方法是使用ifconfig命令行添加IPv6地址，例如：ifconfigeth0inet6add2002:92a:8f7a:100:10:14:24:106/96。SUSELinux:同上。從實踐上講，由于Java的面向?qū)ο筇匦?，以及包對于IP地址的良好封裝，從而使得將Java應(yīng)用從IPv4環(huán)境移植到IPv4/IPv6雙環(huán)境，或者純IPv6環(huán)境變得異常簡單。通常我們需要做的僅是檢查代碼并移除明碼編寫的IPv4地址，用主機名來替代則可。除此以外，對于一些特殊的需求，Java還提供了InetAddress的兩個擴展類以供使用：Inet4Address和Inet6Address，其中封裝了對于IPv4和IPv6的特殊屬性和行為。然而由于Java的多態(tài)特性，使得程序員一般只需要使用父類InetAddress，Java虛擬機可以根據(jù)所封裝的IP地址類型的不同，在運行時選擇正確的行為邏輯。所以在多數(shù)情況下，程