根据现有 IPv4 地址的部署速度,剩余的地址将在 10 到 20 年被使用殆尽。因此网络逐渐从 IPv4 向 IPv6 转换是不可避免的,相应的各种网络应用程序都将支持 IPv6。对于 Java,从其 1.4 版开始对 IPv6 提供了较好的支持,对程序员基本屏蔽了 IPv4 和 IPv6 的差异,但其中仍有一些 IPv6 引起的变化需要我们小心处理。针对这一情况,本文介绍了如何运用现有的 Java 技术应对这些变化。
IPv6 背景介绍
目前我们使用的是第二代互联网 IPv4 技术,它的最大问题是网络地址资源有限,从理论上讲,可以编址 1600 万个网络、40 亿台主机。但采用 A、B、C 三类编址方式后,可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣,以至目前的 IP 地址近乎枯竭。网络地址不足,严重地制约了全球互联网的应用和发展。
一 方面是地址资源数量的限制,另一方面是随着电子技术及网络技术的发展,计算机网络将进入人们的日常生活,可能身边的每一样东西都需要连入全球因特网。在这 种网络空间匮乏的环境下,IPv6 应运而生。它的产生不但解决了网络地址资源数量的问题,同时也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。
如 果说 IPv4 实现的只是人机对话,那么 IPv6 则扩展到任意事物之间的对话,它不仅可以为人类服务,还将服务于众多硬件设备,如家用电器、传感器、远程照相机、汽车等,它将是无时不在,无处不在的深入 社会每个角落的真正的宽带网,它所带来的经济效益也将非常巨大。
当然,IPv6 并非十全十美、一劳永逸,不可能解决所有问题。IPv6 只能在发展中不断完善,也不可能在一夜之间发生,过渡需要时间和成本,但从长远看,IPv6 有利于互联网的持续和长久发展。目前,国际互联网组织已经决定成立两个专门工作组,制定相应的国际标准。
Java 对 IPv6 的支持
随 着 IPv6 越来越受到业界的重视,Java 从 1.4 版开始支持 Linux 和 Solaris 平台上的 IPv6。1.5 版起又加入了 Windows 平台上的支持。相对于 C++,Java 很好得封装了 IPv4 和 IPv6 的变化部分,遗留代码都可以原生支持 IPv6,而不用随底层具体实现的变化而变化。
那么 Java 是如何来支持 IPv6 的呢? Java 网络栈会优先检查底层系统是否支持 IPv6,以及采用的何种 IP 栈系统。如果是双栈系统,那它直接创建一个 IPv6 套接字(如图 1)。
图 1. 双栈结构
对 于分隔栈系统,Java 则创建 IPv4/v6 两个套接字(如图 2)。如果是 TCP 客户端程序,一旦其中某个套接字连接成功,另一个套接字就会被关闭,这个套接字连接使用的 IP 协议类型也就此被固定下来。如果是 TCP 服务器端程序,因为无法预期客户端使用的 IP 协议,所以 IPv4/v6 两个套接字会被一直保留。对于 UDP 应用程序,无论是客户端还是服务器端程序,两个套接字都会保留来完成通信。
图 2. 分隔栈结构
如何验证 IPv6 地址
IPv6 地址表示
从 IPv4 到 IPv6 最显著的变化就是网络地址的长度,IPv6 地址为 128 位长度,一般采用 32 个十六进制数,但通常写做 8 组每组 4 个十六进制的形式。例如:
2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 是一个合法的 IPv6 地址。如果四个数字都是零,则可以被省略。
2001:0db8:85a3:0000:1319:8a2e:0370:7344 等同于 2001:0db8:85a3::1319:8a2e:0370:7344。
遵从这些规则,如果因为省略而出现了两个以上的冒号的话,可以压缩为一个,但这种零压缩在地址中只能出现一次。因此:
2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab 2001:0DB8:0000:0000:0000::1428:57ab 2001:0DB8:0:0:0:0:1428:57ab 2001:0DB8:0::0:1428:57ab 2001:0DB8::1428:57ab
都是合法的地址,并且他们是等价的。但 2001::25de::cade 是非法的。(因为这样会使得搞不清楚每个压缩中有几个全零的分组)。同时前导的零可以省略,因此:2001:0DB8:02de::0e13 等于 2001:DB8:2de::e13。
IPv6 地址校验
IPv4 地址可以很容易的转化为 IPv6 格式。举例来说,如果 IPv4 的一个地址为 135.75.43.52(十六进制为 0x874B2B34),它可以被转化为 0000:0000:0000:0000:0000:0000:874B:2B34 或者::874B:2B34。同时,还可以使用混合符号(IPv4- compatible address),则地址可以为::135.75.43.52。
在 IPv6 的环境下开发 Java 应用,或者移植已有的 IPv4 环境下开发的 Java 应用到 IPv6 环境中来,对于 IPv6 网络地址的验证是必须的步骤,尤其是对那些提供了 UI(用户接口)的 Java 应用。
所 幸的是,从 Java 1.5 开始,Sun 就增加了对 IPv6 网络地址校验的 Java 支持。程序员可以通过简单地调用方法 sun.net.util.IPAddressUtil.isIPv6LiteralAddress() 来验证一个 String 类型的输入是否是一个合法的 IPv6 网络地址。
为了更深入一步地了解 IPv6 的网络地址规范,及其验证算法,笔者参阅了一些材料,包括上文所述的方法 sun.net.util.IPAddressUtil.isIPv6LiteralAddress() 的源代码,以及目前网络上流传的一些 IPv6 网络地址的正则表达式,发现:
- 由于 IPv6 协议所允许的网络地址格式较多,规范较宽松(例如零压缩地址,IPv4 映射地址等),所以导致了 IPv6 网络地址的格式变化很大。
- Java 对于 IPv6 网络地址的验证是通过对输入字符的循环匹配做到的,并没有采取正则表达式的做法。其匹配过程中还依赖于其它的 Java 方法。
- 目前网络上流传的 IPv6 网络地址验证的正则表达式通常都只能涵盖部分地址格式,而且表达式冗长难读,非常不易于理解。
基于通用性考虑,以及为了使验证方法尽量简单易读,笔者尝试将 IPv6 网络地址的格式简单分类以后,使用多个正则表达式进行验证。
这种做法兼顾了通用性(基于正则表达式,所以方便用各种不同的编程语言进行实现),以及易读性(每个独立的正则表达式相对简短);并且根据测试,支持目前所有的 IPv6 网络地址格式类型,尚未发现例外。
以下是笔者用 Java 编写的对于 IPv6 网络地址的验证方法。此算法可被简单地用其它编程语言仿照重写。
清单 1. 验证地址
//IPv6 address validator matches these IPv6 formats //::ffff:21:7.8.9.221 | 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 //| ::8a2e:0:0370:7344 | 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:100.22.44.55 //| 2001:0db8::8a2e:100.22.44.55 | ::100.22.44.55 | ffff:: //And such addresses are invalid //::8a2e:0:0370:7344.4 | 2001:idb8::111:7.8.9.111 | 2001::100.a2.44.55 //| :2001::100.22.44.55 public static boolean isIPV6Format(String ip) { ip = ip.trim(); //in many cases such as URLs, IPv6 addresses are wrapped by [] if(ip.substring(0, 1).equals("[") && ip.substring(ip.length()-1).equals("]")) ip = ip.substring(1, ip.length()-1); return (1 < Pattern.compile(":").split(ip).length) //a valid IPv6 address should contains no less than 1, //and no more than 7 “:” as separators && (Pattern.compile(":").split(ip).length <= 8) //the address can be compressed, but “::” can appear only once && (Pattern.compile("::").split(ip).length <= 2) //if a compressed address && (Pattern.compile("::").split(ip).length == 2) //if starts with “::” – leading zeros are compressed ? (((ip.substring(0, 2).equals("::")) ? Pattern.matches("^::([\\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("^([\\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))) //if ends with "::" - ending zeros are compressed : ((ip.substring(ip.length()-2).equals("::")) ? Pattern.matches("^([\\da-f]{1,4}(:|::)){1,7}", ip) : Pattern.matches("^([\\da-f]{1,4}:){6}(([\\da-f]{1,4} :[\\da-f]{1,4})|((\\d{1,3}.){3}\\d{1,3}))", ip)); }}
如何正规化 IPv6 地址
在 网络程序开发中,经常使用 IP 地址来标识一个主机,例如记录终端用户的访问记录等。由于 IPv6 具有有零压缩地址等多种表示形式,因此直接使用 IPv6 地址作为标示符,可能会带来一些问题。为了避免这些问题,在使用 IPv6 地址之前,有必要将其正规化。除了通过我们熟知的正则表达式,笔者在开发过程中发现使用一个简单的 Java API 也可以达到相同的效果。
清单 2. 正规化地址
InetAddress inetAddr = InetAddress.getByName(ipAddr); ipAddr = inetAddr.getHostAddress(); System.out.println(ipAddr);
InetAddress.getByName(String)
方法接受的参数既可以是一个主机名,也可以是一个 IP 地址字符串。我们输入任一信息的合法 IPv6 地址,再通过 getHostAddress()
方法取出主机 IP 时,地址字符串 ipAddr 已经被转换为完整形式。例如输入 2002:97b:e7aa::97b:e7aa
,上述代码执行过后,零压缩部分将被还原,ipAddr 变为 2002:97b:e7aa:0:0:0:97b:e7aa
。
如何获取本机 IPv6 地址
有 时为了能够注册 listener,开发人员需要使用本机的 IPv6 地址,这一地址不能简单得通过 InetAddress.getLocalhost() 获得。因为这样有可能获得诸如 0:0:0:0:0:0:0:1 这样的特殊地址。使用这样的地址,其他服务器将无法把通知发送到本机上,因此必须先进行过滤,选出确实可用的地址。以下代码实现了这一功能,思路是遍历网 络接口的各个地址,直至找到符合要求的地址。
清单 3. 获取本机 IP 地址
public static String getLocalIPv6Address() throws IOException { InetAddress inetAddress = null; Enumeration<NetworkInterface> networkInterfaces = NetworkInterface .getNetworkInterfaces(); outer: while (networkInterfaces.hasMoreElements()) { Enumeration<InetAddress> inetAds = networkInterfaces.nextElement() .getInetAddresses(); while (inetAds.hasMoreElements()) { inetAddress = inetAds.nextElement(); //Check if it‘s ipv6 address and reserved address if (inetAddress instanceof Inet6Address && !isReservedAddr(inetAddress)) { break outer; } } } String ipAddr = inetAddress.getHostAddress(); // Filter network card No int index = ipAddr.indexOf(‘%‘); if (index > 0) { ipAddr = ipAddr.substring(0, index); } return ipAddr; } /** * Check if it‘s "local address" or "link local address" or * "loopbackaddress" * * @param ip address * * @return result */ private static boolean isReservedAddr(InetAddress inetAddr) { if (inetAddr.isAnyLocalAddress() || inetAddr.isLinkLocalAddress() || inetAddr.isLoopbackAddress()) { return true; } return false; }
为了支持 IPv6,Java 中增加了两个 InetAddress 的子类:Inet4Address 和 Inet6Address。一般情况下这两个子类并不会被使用到,但是当我们需要分别处理不同的 IP 协议时就非常有用,在这我们根据 Inet6Address 来筛选地址。
isReservedAddr() 方法过滤了本机特殊 IP 地址,包括“LocalAddress”,“LinkLocalAddress”和“LoopbackAddress”。读者可根据自己的需要修改过滤标准。
另一个需要注意的地方是:在 windows 平台上,取得的 IPv6 地址后面可能跟了一个百分号加数字。这里的数字是本机网络适配器的编号。这个后缀并不是 IPv6 标准地址的一部分,可以去除。
IPv4/IPv6 双环境下,网络的选择和测试
我们先看一下笔者所在的 IPv4/IPv6 开发测试环境及其配置方法。
笔 者所处的 IPv4/IPv6 双环境是一个典型的“6to4”双栈网络,其中存在着一个 IPv6 到 IPv4 的映射机制,即任意一个 IPv6 地址 2002:92a:8f7a:100:a:b:c:d 在路由时会被默认映射为 IPv4 地址 a.b.c.d,所以路由表只有一套。
在 此环境内,IPv4 地址与 IPv6 地址的一一对应是人工保证的。如果一台客户机使用不匹配的 IPv4 和 IPv6 双地址,或者同时使用 DHCPv4 和 DHCPv6(可能会导致 IPv4 地址和 IPv6 地址不匹配),会导致 IPv6 的路由寻址失败。
正因为如此,为了配置双地址环境,我们一般使用 DHCPv4 来自动获取 IPv4 地址,然后人工配置相对应的 IPv6 地址。
Windows 系统
- Windows 2000 及以下:不支持 IPv6
- Windows 2003 和 Windows XP:使用 Windows 自带的 netsh 命令行方式添加 IPv6 地址以及 DNS, 例如:C:\>netsh interface ipv6 add address “Local Area Connection” 2002:92a:8f7a:100:10:13:1:2 和 C:\>netsh interface ipv6 add dns “Local Area Connection” 2002:92a:8f7a:100:10::250
- Windows 2008 和 Windows Vista:既可以使用 Windows 网络属性页面进行配置,也可以使用类似 Windows 2003 和 Windows XP 的 netsh 命令行来配置
Linux 系统 (以下是 IPv6 的临时配置方法,即不修改配置文件,计算机重启后配置失效)
- Redhat Linux:最简单的方法是使用 ifconfig 命令行添加 IPv6 地址,例如:ifconfig eth0 inet6 add 2002:92a:8f7a:100:10:14:24:106/96。
- SUSE Linux:同上。
从 实践上讲,由于 Java 的面向对象特性,以及 java.net 包对于 IP 地址的良好封装,从而使得将 Java 应用从 IPv4 环境移植到 IPv4/IPv6 双环境,或者纯 IPv6 环境变得异常简单。通常我们需要做的仅是检查代码并移除明码编写的 IPv4 地址,用主机名来替代则可。
除此以外,对于一些特殊的需求,Java 还提供了 InetAddress 的两个扩展类以供使用:Inet4Address 和 Inet6Address,其中封装了对于 IPv4 和 IPv6 的特殊属性和行为。然而由于 Java 的多态特性,使得程序员一般只需要使用父类 InetAddress,Java 虚拟机可以根据所封装的 IP 地址类型的不同,在运行时选择正确的行为逻辑。所以在多数情况下,程序员并不需要精确控制所使用的类型及其行为,一切交给 Java 虚拟机即可。
具体的新增类型及其新增方法,请具体参阅 Sun 公司的 JavaDoc。
另外,在 IPv4/IPv6 双环境中,对于使用 Java 开发的网络应用,比较值得注意的是以下两个 IPv6 相关的 Java 虚拟机系统属性。
java.net.preferIPv4Stack=<true|false> java.net.preferIPv6Addresses=<true|false>
preferIPv4Stack(默 认 false)表示如果存在 IPv4 和 IPv6 双栈,Java 程序是否优先使用 IPv4 套接字。默认值是优先使用 IPv6 套接字,因为 IPv6 套接字可以与对应的 IPv4 或 IPv6 主机进行对话;相反如果优先使用 IPv4,则只不能与 IPv6 主机进行通信。
preferIPv6Addresses(默认 false)表示在查询本地或远端 IP 地址时,如果存在 IPv4 和 IPv6 双地址,Java 程序是否优先返回 IPv6 地址。Java 默认返回 IPv4 地址主要是为了向后兼容,以支持旧有的 IPv4 验证逻辑,以及旧有的仅支持 IPv4 地址的服务。
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总结
从 计算机技术的发展、因特网的规律和网络的传输速率来看,IPV4 都已经不适用了。其中最主要的问题就是 IPV4 的 32 比特的 IP 地址空间已经无法满足迅速膨胀的因特网规模,但是 IPv6 的引入为我们解决了 IP 地址近乎枯竭的问题。本文对 IPv6 地址做了一些基本的介绍,着重介绍了如何使用 Java 开发兼容 IPv6 的网络应用程序,包括如何验证 IPv6 地址,如何正规化 IPv6 地址的表示,如何获取本机 IPv6 的地址,以及在 IPv4/IPv6 双地址环境下的网络选择和测试,同时作者结合在日常工作中使用的 Java 代码片段,希望呈现给读者一个全方位的、具有较强实用性的文本介绍,也希望本文能给读者在以后使用 Java 开发 IPv6 兼容程序的过程中带来一些帮助。