支持IPv6 DNS64/NAT64 网络<- 网络概述

随着IPv4地址池的耗尽，企业和蜂窝网络提供商正越来越多的部署IPv6 DNS64和NAT64网络。DNS64/NAT64网络是一个纯IPv6网络，通过转换，它也可以继续支持访问IPv4内容。基于应用的本质不同，转换的方式也不同：

• 如果你正在使用高级网络API，例如NSURLSession和CFNetwork框架，编写客户端应用，并且你通过名称进行连接，那么你无需为适应IPv6做任何改变。如果你不是通过名称进行连接，那你需要做出相应改变。参见Avoid Resolving DNS Names Before Connecting to a Host来了解如何做到，CFNetwork的信息，参见CFNetwork Framework Reference。
• 如果你正在写服务器端的应用，或者其他低级别网络应用，你应该确保你的socket代码正确的使用了IPv4和IPv6地址。参考RFC4038: Application Aspects of IPv6 Transition。

什么推动了IPv6

主要的网络服务提供商，包括美国的主要蜂窝网络运营商，正积极推广和部署IPv6。这是由多种因素导致的。

注意：World IPv6 Launch是一个全球性的跟踪部署活动的组织。想查看最近的趋势，请访问World IPv6 Launch website。

IPv4地址耗尽

几十年来，大家已经知道IP v4地址将最终耗尽。类似CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）和NAT（network address translation，网络地址转换）技术帮助延缓了这种趋势。但是，在2011年1月31日，IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网号码分配机构）的顶级池正式耗尽。ARIN（American Registry for Internet Numbers，美国互联网号码注册机构）预计2015年夏天IP v4地址将耗尽。（原文写于2012年。）

IP v6比IP v4更高效

除了解决IP v4耗尽的问题，IP v6比IP v4更高效。例如，IP v6:

• 避免进行网络地址转换（NAT）
• 通过使用简化的报头，可以更快的通过路由
• 防止网络数据包碎片
• 避免相邻地址解析的广播（Avoids broadcasting for neighbor address resolution）

4G部署

第四代移动电信技术（4G）仅基于数据包交换。由于IP v4地址的限制，为了扩展4G的部署，需要得到IP v6的支持。

多媒体服务兼容性

IMS（IP Multimedia Service Compatibility，IP多媒体核心网络子系统）允许服务（例如多媒体SMS信息和LTE语音）通过IP传送。某些服务提供商使用IMS只兼容IP v6。

成本

当产业持续迁移到IP v6的时候，继续支持旧有的IP v4网络会导致服务提供商增加额外的运营和管理成本。

DNS64.NAT64转换流程

为了帮助减缓IP v4地址的消耗，NAT被应用于IP v4网络中。尽管这是一种临时的解决方案，但却被证明非常昂贵且脆弱。今天，随着越来越多的客户端使用IP v6，供应商现在不需同时支持IP v4和IP v6。这种努力成本巨大。

图10-1 提供IP v4和IP v6分开连接的蜂窝网络

理想情况下，提供商想舍弃掉对IP v4网络的支持。但是，很多IP v4服务器依然是网络中重要的组成部分。为了解决这个问题，大多数主要的网络提供商采用了DNS64/NAT64转换流程。这是一种通过转换继续提供对IP v4内容的IP v6网络。

图10-2 使用DNS64 和 NAT64部署IP v6网络的蜂窝网络

这这类流程中，客户端发送DNS查询到一个DNS64服务器，从DNS请求一个IP v6地址。当IP v6地址被找到时，它就会立即传回给客户端。但是，如果IP v6地址没有找到，DNS64服务器就会转而请求一个IP v4地址。然后DNS64服务器使用IP v4地址的前缀合成一个IP v6地址，并传回给客户端。这样，客户端始终会收到一个IP v6地址。查看图10-3。

图10-3 DNS64 IP v4到IP v6的转换过程

当客户端发送一个请求到服务器，任何为合成地址指定的IP v6数据包，都会自动的通过NAT64网关进行路由。该网关执行IP v6到IP v4地址的转换，以及对请求的协议转换。它还为了服务器的的响应，执行IP v4到IPv6的转换。参见图10-4。

图10-4 DNS64/NAT64转换解决方案的流程

IPv6和App Store要求

兼容 IPv6 DNS64/NAT64网络将是App Store提交的要求，所以确保兼容对于应用来说至关重要。好消息是，大多数应用已经IP v6兼容了。对于这些应用，定期测试来回顾是非常重要的。不兼容IP v6的应用在DNS64/NAT64网络上操作的时候可能会遇到麻烦。幸运的是，通过本章的介绍，解决这些问题通常都很简单。

对支持IP v6的常见阻碍

几种情况能阻止应用支持IP v6。下面这部分就是描述如何解决这些问题。

• IP地址字面量嵌入到了协议中。很多通信协议，例如SIP（Session Initiation Protocol，会话发起协议）、FTP（File Transfer Protocol，文本传输协议）、WebSockets、以及P2PP（Peer-to-Peer Protocol，点对点协议）等，在协议消息中都包含了IP地址字面量。例如，FTP参数命令DATA PORT 和 PASSIVE交换信息包含了IP 地址字面量。类似地，IP地址字面量可以出现在SIP头部的值中，例如To, From, Contact, Record-Route, 和 Via。参见 Use High-Level Networking Frameworks 和 Don’t Use IP Address Literals。
• IP地址字面量嵌入到了配置文件中。配置文件经常包含IP 地址字面量。参见Don’t Use IP Address Literals。
• 网络预检。很多应用试图通过把IP地址字面量传递给网络可达性API，来主动检查网络连接或活动Wi-Fi连接。参见 Connect Without Preflight。
• 使用低等级网络API。一些应用直接使用socket和其他原始的网络API，例如gethostbyname, gethostbyname2, 和 inet_aton。这些API容易被滥用或只支持IP v4；例如，为AF_INET地址族，而不是 AF_UNSPEC地址族解析主机名。参见Use High-Level Networking Frameworks。
• 使用小地址族存储容器。一些应用和网络库使用地址存储容器，例如uint32_t、in_addr、 和 sockaddr_in，它们是32bit或更小。参见Use Appropriately Sized Storage Containers。

确保IPv6 DNS64/NAT64兼容性

遵守以下准则，来确保应用应用中的IPv6 DNS64/NAT64兼容性。

使用高等级网络框架

需要联网的应用可以构建在高级网络框架或者低级POSIX socket APIs之上。在大多数情况下，使用高级框架就足够了。它们功能强大、易于使用、且不易出错。

图10-5 网络框架和API层

• WebKit。这个框架提供一系列针对在视窗上显示网页内容、以及实现浏览器功能（例如链接、管理前进后退列表、和管理最近访问过的网页历史）的类。WebKit简化了加载网页的复杂过程，——也就是异步从HTTP服务器请求网页内容，响应的数据可能随机的逐渐到达，或者由于网络错误只到达一部分。更多信息，参见WebKit Framework Reference。
• Cocoa URL加载系统。这个系统是通过没有提供显式IP 地址的网络发送数据的最简单方式。发送和接收数据使用几个类（例如NSURLSession, NSURLRequest, 和 NSURLConnection）中的一个，这些类都使用了NSURL对象。NSURL对象让你的应用操作URL以及它们指向的资源。通过调用initWithString: 方法并传入指定的URL来创建NSURL对象。调用NSURL类的checkResourceIsReachableAndReturnError:方法来检查主机的可达性。更多信息，参见URL Session Programming Guide。
• CFNetwork。这个Core Services框架提供一个针对网络协议的抽象库，可以使用它来轻松的执行各种网络任务，例如使用BSD sockets、解析DNS主机、以及使用HTTP/HTTPS。为了不使用显式的IP地址来标识主机，请调用CFHostCreateWithName方法。为了与TCP socket主机建立连接，请调用CFStreamCreatePairWithSocketToCFHost方法。更多信息，参见CFNetwork Programming Guide中的CFNetwork Concepts方法。

如果你需要使用低层次的socket API，需要参考RFC4038: Application Aspects of IPv6 Transition中的指南。

注意：Getting Started with Networking, Internet, and Web 和 Networking Overview提供网络框架和API的详细信息。

不要使用IP地址字面量

确保你没有把点分十进制的IP v4地址字面量传递给API，例如getaddrinfo和SCNetworkReachabilityCreateWithName。而是应该使用高级网络框架和地址无关的API，例如getaddrinfo 和 getnameinfo，并传递主机名或完整的域名给它。参见getaddrinfo(3) Mac OS X Developer Tools Manual Page 和 getnameinfo(3) Mac OS X Developer Tools Manual Page.

注意：在iOS9和OS X10.11及更高级的版本，从IOS9何OSX10.11开始，NSURLSession和CFNetwork会在本地自动将IPv4的地址合成IPv6地址，便于与DNS64/NAT64通信。但是，你仍不应该在代码中使用IP地址字面量。

无预检连接

可达性API（参见SCNetworkReachability Reference）是用于在识别出连接问题之后进行诊断的。很多应用错误地使用这些API来预检网络连接，它们通过调用SCNetworkReachabilityCreateWithAddress方法并将IP v4地址0.0.0.0作为参数传入，以表明网络中有路由。但是显示的路由并不保证实际上存在一个网络连接。总之，避免预检网络可达性。只需要尝试建立连接，并优雅的处理失败情况即可。如果你必须检查网络可达性，那也要避免调用SCNetworkReachabilityCreateWithAddress方法。而是调用SCNetworkReachabilityCreateWithName方法，并传入主机名。

一些应用还给SCNetworkReachabilityCreateWithAddress方法传入一个IP v4地址169.254.0.0（自动分配的本地IP），视图检查激活的Wi-Fi连接。想要检查Wi-Fi或蜂窝网络连接，应该查看网络可达标识kSCNetworkReachabilityFlagsIsWWAN。

采用合适尺寸的存储容器

使用足够大的地址存储容器，例如sockaddr_storage，来存储IP v6地址。

检查IPv6 DNS64/NAT64不兼容性的源代码

检查并排出特定于IP v4的API。例如：

• inet_addr()
• inet_aton()
• inet_lnaof()
• inet_makeaddr()
• inet_netof()
• inet_network()
• inet_ntoa()
• inet_ntoa_r()
• bindresvport()
• getipv4sourcefilter()
• setipv4sourcefilter()

如果你的代码要处理IPv4类型，请确保IP v6也能被处理。

IPv4	IPv6
AF_INET	AF_INET6
PF_INET	PF_INET6
struct in_addr	struct in_addr6
struct sockaddr_in	struct sockaddr_in6
kDNSServiceProtocol_IPv4	kDNSServiceProtocol_IPv6

使用系统API来合成IP v6地址

如果应用需要连接到一个仅IP v4且没有主机名的服务器，请使用getaddrinfo来解析IP v4地址字面量。如果当前网络接口不支持IP v4，但却支持IP v6、NAT64、以及DNS64，执行这个任务将会得到一个合成的IP v6地址。

代码清单10-1 展示了如何使用getaddrinfo来解析一个IP v4字面量。假设你有一个IP v4地址存储在内存中，占4个字节（例如{192, 0, 2, 1}），这个例子代码会把它转换为字符串（例如”192.0.2.1"），使用getaddrinfo来合并为一个IP v6地址（例如一个struct sockaddr_in6包含IP v6地址”64:ff9b::192.0.2.1"），并尝试连接这个IP v6地址。

代码清单 10-1 使用getaddrinfo来解析IP v4地址字面量

#include 

#include 

#include 

#include 

 

    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);

注意：合并IP v6地址的功能是在 iOS 9.2 和 OS X 10.11.2开始添加getaddrinfo的。但是，使用它不会破坏对老版本的兼容。参见 getaddrinfo(3) Mac OS X Developer Tools Manual Page。

经常测试IPv6 DNS64/NAT64的兼容性

测试应用IPv6 DNS64/NAT64兼容性的最简单方法——这是大多数蜂窝网络运营商正在部署的网络类型——是使用Mac设置本地的IPv6 DNS64/NAT64网络。然后你可以从其他设备连接此网络进行测试。参见图10-6

重要：IPv6 DNS64/NAT64网络设置选项在OS X10.11及更高版本中可用。另外，基于Mac的IPv6 DNS64/NAT64网络和支持RFC6106: IPv6 Router Advertisement Options for DNS Configuration的客户端设备是兼容的。如果你测试的设备不是iOS或OS X设备，请确保它支持这个RFC。请注意，不同于服务提供商部署的DNS64/NAT64流程，基于Mac的DNS64/NAT64始终生成合成的IP v6地址。因此，它不提供对本地网络之外的IP v6服务器的访问。详情参见 Limitations of Local Testing。

图10-6 基于Mac的本地 IPv6 DNS64/NAT64网络

想要使用Mac来设置一个本地的IP v6 Wi-Fi网络

1. 确保Mac已通过非Wi-Fi的方式连接到网络。
2. 从Dock、LaunchPad或Apple菜单启动系统偏好。
3. 按住Option键并点击Sharing（分享）。不要放开Option键。
   图10-7 打开分享偏好
   
   
4. 在分享服务列表中选择Internet Sharing（网络分享）。
   图10-8 配置网络分享
   
   
5. 放开Option键。
6. 选择 Create NAT64 Network复选框。
   图10-9 启用 Create NAT64 Network。
   
   
7. 选择用于互联网连接的网络接口，例如Thunderbolt Ethernet（雷电以太网接口）。
   图10-10 选择用于分享的网络接口
   
   
8. 选中Wi-Fi复选框。
   图10-11 允许通过Wi-Fi分享
   
   
9. 点击Wi-Fi选项，并为你的网络配置网络名和安全选项。
   图10-12 访问Wi-Fi网络选项。
   
   
   
   图10-13 设置本地Wi-Fi网络选项
   
   
10. 选择Internet Sharing（互联网分享）复选框来启用你的本地网络。
    图10-14 启用互联网分享
    
    
11. 当提示确认是否开启共享时，点击开始（Start）。
    图10-15 开始网络共享
    
    

一旦共享被激活，你应该可以看到一个绿色状态等以及一段说明网络共享开启的标签。在Wi-Fi菜单中，你还将看到一个向上的小尖头，表明网络共享已经被启用。现在你有了IPv6 NAT64网络，其他神杯可以连接到这个网络来测试你的应用。

图10-16 网络共享指示器

重要：为了确保测试严格的使用本地IP v6网络，要保证测试设备不要打开其他网络接口。例如，如果测试一个iOS设备，就禁用蜂窝网络服务，确保只在Wi-Fi环境下进行测试。

本地测试的局限性

基于Mac的IPv6 DNS64/NAT64网络是一个在IP v6环境中测试应用的有效工具。但是，但因为它始终生成合成的IP v6地址，并使用IP v4在WAN侧发送数据，所以它不是和服务提供商提供的网络有所区别。这个网络允许IP v6之间的直连。如果你的服务器配置错误，它或许会导致应用在使用和测试时有不同的行为。甚至导致在你自己的环境中难以复现的App Review失败。

特别是，如果你的服务声称支持IP v6但是在运行时却有问题。这种情况下，在最初测试的时候，应用可以通过IP v6路径和服务器进行通信，因此认为测试通过。但是，实际上你的测试网络是把IP v6在WAN侧转换成了IP v4。所以你使用的实际上是你的服务器的IP v4数据路径。稍后，在应用程序审查（或在真实世界）期间，应用相同的操作，与服务器的连接是直接使用IP v6。如果服务器无法正常响应IP v流量，应用就无法按预期运行。

为了避免这种情况，除了使用基于Mac的 IPv6 DNS64/NAT64测试网络来验证应用外，还要独立的验证你的服务器是否为IP v6服务器。例如，确保服务器：

• 有正确的DNS信息。除了检查服务器自身，你可以从Mac上使用命令行工具dig(1)来查看服务器如何报告其AAAA记录。
• 正在监听IP v6.使用类似ipv6-test.com的工具来测试web服务（HTTP或HTTPS）。对于其他协议，你需要从其所在IP v6网络进行验证。
• 正确的响应IP v6请求。如果你有访问权限，查看服务器日志，以验证IP v6流量被正确处理。如果不是，你需要从其所在IP v6网络进行测试。