iOS 支持 IPv6 DNS64/NAT64 网络

原文：IOS支持IPv6 DNS64/NAT64网络

从2016年6月1日起，iOS应用必须支持IPv6，否则审核将被拒。详见Supporting IPv6 DNS64/NAT64 Networks。本文是翻译稿。从本文中可以学到有关IPv6过度时期的网络架构和具体IOS应用如何兼容的知识。

随着IPv4地址池即将耗尽，企业和移动通信供应商在逐步部署IPv6 DNS64/NAT64网络。IPv6 DNS64/NAT64是一个仅有IPv6的网络，且能通过转换继续支持IPv4。根据你app的性质，这样的转化会有不同的影响：

如果你是编写客户端应用，并且使用高层次的网络API，如NSURLSession和CFNetwork框架，使用域名连接。那么你无需更改你的应用，即可工作在IPv6地址下。如果你不是采用域名连接，你可能需要看Avoid Resolving DNS Names Before Connecting to a Host。关于CFNetwork，参见CFNetwork Framework Reference。
如果你是编写服务器程序，或者是底层网络应用，你需要确保你的socket代码能同时在IPv4和IPv6地址下工作。参见[RFC4038: Application Aspects of IPv6 Transition.
](https://tools.ietf.org/html/rfc4038)。

什么推动了IPv6

主要的网络供应商，包括美国的蜂窝移动网络供应商，在积极地推进和部署IPv6。这是由多方面因素造成的。

World IPv6 Launch是个追踪全球范围内部署活动的组织。访问World IPv6 Launch website可以看到近期的进程。

IPv4地址逐渐耗尽

近几年，众所周知，IPv4地址最终将耗尽，无类域间路由(Classless Inter-Domain Routing)和网络地址转换(NAT)等技术延缓了这势在必行的趋势。然而，2011年1月31日，最上层的IPv4分配机构Internet Assigned Numbers Authority(IANA)宣布地址用尽。American Registry for Internet Numbers (ARIN)预计在2015年夏季用完IPv4地址。从这里查看倒计时。

IPv6比IPv4高效

除了能解决IPv4耗尽的问题，IPv6比IPv4更加高效，比如：

无需网络地址转换(NAT)
使用简介的头部信息可以加快在网络中的路由
避免网络数据包碎片
相邻地址解析时避免使用广播 (Avoids broadcasting for neighbor address resolution)

4G开发

第四代移动通信技术(4G)仅基于包交换，由于IPv4地址的限制，为了保证4G开发的扩展性，需要IPv6的支持

多媒体服务兼容性

IP Multimedia Core Network Subsystem (IMS) 允许一些服务通过IP传输，例如多媒体SMS消息和VoLTE。有些服务提供商使用IMS时仅支持IPv6。

成本

业界在向IPv6迁移的过程中，需要继续支持古老的IPv4网络，这使运营商产生了额外的操作和维护成本。

DNS64/NAT64转换流程

为了缓解IPv4地址的耗尽，许多IPv4网络采用NAT技术。尽管这种方案临时奏效，但是实践证明耗资巨大并且不够可靠。如今，随着越来越多的设备使用IPv6，运营商必须同时支持IPv4和IPv6，这种努力却是花费巨大的。

图 10-1 蜂窝移动网络分别提供IPv4和IPv6链接

理想情况下，运营商希望丢掉对IPv4的支持。然而，这么做会导致客户端无法访问基于IPv4的服务器，而IPv4的服务器依然是网络的重要组成部分。为了解决这个问题，大多数的网络供应商实现了一个叫DNS64/NAT64的转换流程。这是个纯IPv6网络，并通过转换也可继续访问IPv4的内容。

图 10-2 蜂窝移动网络用DNS64和NAT64来部署一个IPv6网络

在这个流程中，如果客户端向DNS64服务器发起一个DNS查询，当DNS找到一个基于IPv6的地址后，立刻返回客户端。如果无法找到对应的IPv6地址，DNS64服务器将请求IPv4地址，然后DNS64服务器将IPv4作为前缀合成一个IPv6地址，并且将其返回给客户端。这样，客户端将总是获得一个IPv6目标地址，见图10-3。

图 10-3 DNS64 IPv4到IPv6转换过程

当客户端向服务端发送请求时，目标地址为合成后的IPv6地址会自动由NAT64网关路由过去。对于请求，网关作的是IPv6到IPv4的转换。同样的，对于服务器响应，网关作的是IPv4到IPv6的转换。见图10-4

图 10-4 DNS64/NAT64转化方案的流程

IPv6和App Store的要求

对IPv6 DNS64/NAT64网络的兼容性，将是App Store的提交时的必须条件，所以兼容对于app来说是相当重要的。好消息是，大多数app已经是IPv6兼容的了。对于这些app，进行定期的回归测试依旧是必要的。对于那些IPv6不兼容的应用在面对DNS64/NAT64网路时可能遇到麻烦。幸运的是，解决问题通常很简单，下面章节会讨论这个问题。

常见的阻碍IPv6支持的行为

有几个导致应用无法支持IPv6的场景。本节描述如何解决这些问题。

嵌入IP地址的协议。许多通信协议，像SIP, FTP, WebSockets, P2PP，都可能在协议的报文中包含了IP地址。例如，FTP参数命令DATA, PORT, PASSIVE的交换信息中包含了IP地址。类似的，IP地址值可能出现在SIP的头部，像To, FROM, Contact, Record-Route以及Via。参见Use High-Level Networking Frameworks和Don’t Use IP Address Literals
配置文件中使用IP地址。参见Don’t Use IP Address Literals
网络状态监测。许多app试图主动的监测网络连接和wifi连接，却将IP地址作为参数而调用网络可达性相关的API。参见Connect Without Preflight
使用底层网络接口。一些app直接使用socket和其他的低层次网络API，比如gethostbyname gethostbyname2和inet_aton。这些API很容易因为错误使用而仅支持IPv4。比如，域名解析时使用AF_INET地址簇，而不是AF_UNSPEC地址簇。参见Use High-Level Networking Frameworks
使用了小的地址簇存储容器。一些app和网络库，使用了例如unit32,in_addr,sockaddr_in这种32位或更小的容器来存储地址。参见Use Appropriately Sized Storage Containers

确保IPv6 DNS64/NAT64兼容性

附上下面的指导来确保IPv6 DNS64/NAT64的兼容性。

使用高层次的网络框架

app请求网络时，可以构建在高层次的网络框架上，也可以使用底层的POSIX兼容的socket接口。在多数情况下，相比底层接口，高层次的接口效率高一些，兼容性好，容易使用，不容易掉入通常的编程错误陷阱中。

图 10-5 网络框架和API层次

WebKit。此框架提供一系列的类用来在窗口上显示web内容，而且实现了浏览器特性，诸如：链接、前进后退管理、最近访问历史。WebKit将加载网页的流程简化了，包括异步地从HTTP服务器上请求网页内容，这些服务器响应的数据包可能一点点送达，也可能以随机的顺序到达，甚至可能由于网络错误收不全。详见WebKit Framework Reference
Cocoa URL loading system。这个系统用于简单地通过网络发送和接收数据，却不需要提供显示的IP地址。数据的发送和接收使用这几个类中的一个：NSURLSession NSURLRequest NSURLConnection，这些类使用NSURL对象。NSURL对象允许你操作URL。创建一个NSURL对象时使用initWithString:方法，并传入一个指定的URL。调用NSURL类的checkResourceIsReachableAndReturnError:方法检测目标主机的可达性。详见URL Session Programming Guide
CFNetwork。这个核心服务框架提供了一个抽象网络协议的库。这个库提供了大量易用的网络操作，比如BSD socket，DNS解析，处理HTTP/HTTPS。调动CFHostCreateWithName方法，避免显示的使用IP地址来标识主机。调用CFStreamCreatePairWithSocketToCFHost与主机建立TCP链接。详见CFNetwork Programming Guide中的CFNetwork Concepts

如果你需要使用低层次的socket接口，参看如下指导：RFC4038: Application Aspects of IPv6 Transition

Getting Started with Networking, Internet, and Web 和 Networking Overview 提供详细的网络框架API的说明

不要使用IP地址

在许多API中请确保不再使用点分十进制表示的IPv4地址，例如getaddrinfo或SCNetworkReachabilityCreateWithName。取而代之，应该使用高层次网络框架和地址无关的API，例如在使用getaddrinfo和getnameinfo时，传入主机名或域名。详见：getaddrinfo(3) Mac OS X Developer Tools Manual Page 和 getnameinfo(3) Mac OS X Developer Tools Manual Page。

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。不过，你依旧不该使用IP地址串。

连接时无需网络预检

检测网络可达性的API(参见SCNetworkReachability Reference)用来在遇到连接异常时进行诊断。许多app错误的使用了API，它们往往通过调用SCNetworkReachabilityCreateWithAddress方法，并将IPv4地址0.0.0.0作为参数传入，来不断检查网络连接，实际表示是否至少可达一个路由(which indicates that there is a router on the network)。然而，即使有这样的路由也不保证互联网的连接存在。总之，避免进行网络可达性的检测。只需要直接进行连接，并且优雅的处理失败的情况。如果你确实需要检测网络可用性，需避免使用SCNetworkReachabilityCreateWithAddress，而是调用SCNetworkReachabilityCreateWithName，并传入主机名。

有些app还在调用SCNetworkReachabilityCreateWithAddress的时候传入IPv4地址169.254.0.0(一个自动分配的本地IP)，试图检测Wi-Fi连接。若要检测Wi-Fi或蜂窝移动网络连接，参见网络可达标识kSCNetworkReachabilityFlagsIsWWAN。

使用合适的Storage Container大小

使用Storage Container结构，如sockaddr_storage，用以有足够的空间存放IPv6地址。

检查代码不兼容IPv6 DNS64/NAT64的代码

查找并删除IPv4相关的API，如：

inet_addr()
inet_aton()
inet_lnaof()
inet_makeaddr()
inet_netof()
inet_network()
inet_ntoa()
inet_ntoa_r()
bindresvport()
getipv4sourcefilter()
setipv4sourcefitler()

如果你处理的IPv4的类型，去报同时处理对应的IPv6类型

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合成IPv6地址

如果你的app需要连接到仅支持IPv4的服务器，且不使用DNS域名解析，请使用getaddrinfo处理IPv4地址串(译注：getaddrinfo可通过传入一个IPv4或IPv6地址，得到一个sockaddr结构链表)。如果当前的网络接口不支持IPv4，仅支持IPv6,NAT64和DNS64，这样做可以得到一个合成的IPv6地址。

代码10-1展示了如何用getaddrinfo处理IPv4地址串。假设你内存中有一个4个字节的IPv4地址串(如{192,0,2,1})，这个示例代码将之转化为字符串("192.0.2.1")，使用getaddrinfo合成一个IPv6地址结构(struct sockaddr_in6包含IPv6地址串为"64:ff9b::192.0.2.1"),然后尝试连接到这个IPv6地址。

代码 10-1 使用getaddrinfo处理IPv4地址串

#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);

从IOS9.2和OSX10.11.2开始合成IPv6地址的功能才被加入到getaddrinfo。不过，这么用不会对旧的系统产生兼容性问题。参见getaddrinfo(3) Mac OS X Developer Tools Manual Page.

测试IPv6 DNS64/NAT64兼容性

大多数蜂窝移动供应商已经开始部署IPv6 DNS64/NAT64网络，测试这种网络最简单的的方法是用Mac建立一个本地的IPv6 DNS64/NAT64网络。你可以将其他设备链接到这个网络来测试。见图10-6

提示：IPv6 DNS64/NAT64网络仅在OSX 10.11及更高版本上可以设置。除此之外，基于Mac来建立的IPv6 DNS64/NAT64网络仅与支持RFC6106: IPv6 Router Advertisement Options for DNS Configuration的客户端设备兼容。如果你的设备不是iOS或OSX设备，请确保它支持RFC。还需注意的是：不同于运营商提供的DNS64/NAT64网络，基于Mac系统的IPv6 DNS64/NAT64总是返回合成后的IPv6地址。因此，它不能用于访问你本地网络以外的纯IPv6网络。

图 10-6 本地的基于Mac的 IPv6 DNS64/NAT64 网络