NAT64网络下合成IPv6地址

引言

最近公司的App不能提交到App Store了。因为，我们的app无法支持NAT64网络环境。苹果还算是比较人性化，给出了解决方案 Supporting IPv6 DNS64/NAT64 Networks。这篇文章说得很详细，大致意思就是尽量使用域名而不是ip地址访问服务器，主要调用了 getaddrinfo 这个方法。他会根据你给的选项及当前所处的网络环境，返回一个ip地址列表。当然如果是NAT64网络，也会包含ipv6地址(如果域名绑定了ipv6地址，则返回服务器的ipv6地址；如果服务器只有ipv4地址，则它会自动帮你合成一个ipv6地址）。这样会省去你很多麻烦。

我们的app直接使用low-level BSD socket api通过tcp协议直接与后台服务器通信。服务器只有ipv4地址，并且没有绑定域名。刚开始我们尝试使用苹果给出的示例代码解决该问题：

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <err.h>
 
    uint8_t ipv4[4] = {192, 0, 2, 1};
    struct addrinfo hints, *res, *res0;
    int error, s;
    const char *cause = NULL;
 
    char ipv4_str_buf[INET_ADDRSTRLEN] = { 0 };
    const char *ipv4_str = inet_ntop(AF_INET, &ipv4, ipv4_str_buf, sizeof(ipv4_str_buf));
 
    memset(&hints, 0, sizeof(hints));
    hints.ai_family = PF_UNSPEC;
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
    hints.ai_flags = AI_DEFAULT;
    error = getaddrinfo(ipv4_str, "http", &hints, &res0);
    if (error) {
        errx(1, "%s", gai_strerror(error));
        /*NOTREACHED*/
    }
    s = -1;
    for (res = res0; res; res = res->ai_next) {
        s = socket(res->ai_family, res->ai_socktype,
                          res->ai_protocol);
        if (s < 0) {
            cause = "socket";
            continue;
        }
 
        if (connect(s, res->ai_addr, res->ai_addrlen) < 0) {
            cause = "connect";
            close(s);
            s = -1;
            continue;
        }
 
        break;  /* okay we got one */
    }
    if (s < 0) {
        err(1, "%s", cause);
        /*NOTREACHED*/
    }
    freeaddrinfo(res0);

看起来很简单： 将我们想要合成的ipv4地址、端口及选项传给getaddrinfo就可以得到一个地址链表；然后，我们测试地址的连通性，在其中找到一个可用的。

但是，经过测试发现，getaddrinfo针对域名可以工作，但是对于ipv4地址却不能合成ipv6地址。这非常奇怪，我查阅了两份关于IPv6的RFC文档: RFC4038: Application Aspects of IPv6 Transition和rfc7050: Discovery of the IPv6 Prefix Used for IPv6 Address Synthesis；也在苹果官方论坛上咨询了，他们给的答复是可以正常工作，并且建议使用域名。。。但是我这边确实是不可以的啊，相同的代码，而且后台服务器也没域名。在申请到新域名之前，作为过渡方案，没办法，只能另辟蹊径了。

前面提到 getaddrinfo 对于域名可以正确地工作。我们为什么不利用这一点呢？

原理

首先先针对一个比较知名的域名调用getaddrinfo得到ip地址列表，然后针对地址列表进行进一步处理，用我们的ip地址替换ip地址列表中的地址。在rfc7050: Discovery of the IPv6 Prefix Used for IPv6 Address Synthesis这篇文章中，提到了一个非常特殊的域名 ipv4only.arpa., 该域名只绑定了两个ipv4地址。这非常好，因为我们无需担心挑选的域名绑定了ipv6地址，给我们处理地址列时带来不便,增加了问题的复杂度。所以，我们的思路是：

1. 首先调用getaddrinfo对 ipv4only.arpa. 进行解析，得到地址列表；
2. 对地址列表进一步进行处理：
   • ipv4地址，直接进行处理；
   • ipv6地址，将高4个字节替换成我们的ip地址。
3. 删除其中的重复项。

实现

函数参数与getaddrinfo一致。但是，hostname是ipv4地址字符串，servname是端口数字字符串。函数声明如下：

int
getaddrinfo4ipv4literal(const char *hostname, const char *servname,
            const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);

1. 获取地址列表
   

int
getaddrinfo4ipv4literal(const char *hostname, const char *servname,
            const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res)
{
    int rlt = 0;
    // 1. get address list
    rlt = getaddrinfo("ipv4only.arpa", "http", hints, res);

需要注意的是，这里servname传递的是"http"。事实证明，传递一个任意的端口数字字符串也是可以的，并不影响地址的解析。

2. 地址替换
   
   地址替换需要注意的是，不同的地址会有不同的替换方法：ipv4直接替换；ipv6只替换地址的高4个字节。代码如下：
   

in_addr_t ipv4 = inet_addr(hostname);
in_port_t port = htons(atoi(servname));
// 2. look through the address list and replace the ipv4 address and port by ours
struct addrinfo *tempRes;
for (tempRes = *res; tempRes; tempRes = tempRes->ai_next) {
    if (tempRes->ai_family == AF_INET)// IPv4
    {
        struct sockaddr_in *dest = (struct sockaddr_in *)tempRes->ai_addr;
        // overwrite
        dest->sin_addr.s_addr = ipv4;
        dest->sin_port = port;
    }
    else if(tempRes->ai_family == AF_INET6)// IPv6
    {
        struct sockaddr_in6 *dest = (struct sockaddr_in6 *)tempRes->ai_addr;
        // overwrite the last four bytes
        memcpy(&dest->sin6_addr.__u6_addr.__u6_addr8 + 12,&ipv4, sizeof(in_addr_t));
        dest->sin6_port = port;
    }

3. 消除重复项
   
   因为 ipv4only.arpa. 绑定了两个ipv4地址，所以经过第二步的替换后，出现了重复项。所以，我们需要稍微处理下。本质上就是对一个链表做删除重复项操作。

/**
 * remove duplicated items
 */
void removeduplicateditems(struct addrinfo **res)
{
    struct addrinfo *current, *checking, *previousChecking;
    
    current = *res;
    
    while (current != NULL && current->ai_next != NULL) {
        checking = current->ai_next;
        previousChecking = current;
        while (checking != NULL) {
            if (ipequal(checking,current)) {
                previousChecking->ai_next = checking->ai_next;
                checking->ai_next = NULL;
                freeaddrinfo(checking);
                checking = previousChecking->ai_next;
            }
            else
            {
                checking = checking->ai_next;
            }
        }
        
        current = current->ai_next;
    }
}

原理其实很简单。全部代码见 GitHub。

讨论

虽然，我们解决了该问题，但是这只是一个过渡方案。还是应该像苹果建议的那样，申请一个域名，这会降低问题的复杂度。另外，服务器最好分配一个IPv6地址，毕竟IPv6是大势所趋。