C语言如何获取ipv6地址

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C语言如何获取ipv6地址

使用通常获取ipv4的IP地址的方法是无法获取ipv6地址的,本文介绍了使用C语言获取ipv6地址的三种方法:从proc文件从系统获取ipv6地址、使用getifaddrs()函数获取ipv6地址和使用netlink获取ipv6地址,每种方法均给出了完整的源程序,本文所有实例在 ubuntu 20.04 下测试通过,gcc 版本 9.4.0。

1. ipv4的IP地址的获取方法

  • 不论是获取 ipv4 的 IP 地址还是 ipv6 的地址,应用程序都需要与内核通讯才可以完成;
  • ioctl 是和内核通讯的一种常用方法,也是用来获取 ipv4 的 IP 地址的常用方法,下面代码演示了如何使用 ioctl 来获取本机所有接口的 IP 地址:

      #include <stdio.h>
      #include <stdlib.h>
    
      #include <sys/ioctl.h>
      #include <linux/if.h>
      #include <arpa/inet.h>
      #include <sys/socket.h>
    
      int main() {
          int i = 0;
          int sockfd;
          struct ifconf ifc;
          char buf[512] = {0};
          struct ifreq *ifr;
    
          ifc.ifc_len = 512;
          ifc.ifc_buf = buf;
    
          if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
              perror("socket");
              return -1;
          }
          ioctl(sockfd, SIOCGIFCONF, &ifc);
          ifr = (struct ifreq*)buf;
    
          for (i = (ifc.ifc_len /sizeof(struct ifreq)); i > 0; i--) {
              printf("%s: %s\n",ifr->ifr_name, 
                      inet_ntoa(((struct sockaddr_in *)&(ifr->ifr_addr))->sin_addr));
              ifr++;
          }
      }
    
  • 但是使用 ioctl 无法获取 ipv6 地址,即便我们建立一个 AF_INET6 的 socket,ioctl 仍然只返回 ipv4 的信息,我们可以试试下面代码;

      #include <stdio.h>
      #include <stdlib.h>
    
      #include <sys/ioctl.h>
      #include <linux/if.h>
      #include <arpa/inet.h>
      #include <sys/socket.h>
    
      int main() {
          int i = 0;
          int sockfd;
          struct ifconf ifc;
          char buf[1024] = {0};
          struct ifreq *ifr;
    
          ifc.ifc_len = 1024;
          ifc.ifc_buf = buf;
    
          if ((sockfd = socket(AF_INET6, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
              perror("socket");
              return -1;
          }
          ioctl(sockfd, SIOCGIFCONF, &ifc);
          ifr = (struct ifreq*)buf;
    
          struct sockaddr_in *sa;
          for (i = (ifc.ifc_len /sizeof(struct ifreq)); i > 0; i--) {
              sa = (struct sockaddr_in *)&(ifr->ifr_addr);
              if (sa->sin_family == AF_INET6) {
                  printf("%s: AF_INET6\n", ifr->ifr_name);
              } else if (sa->sin_family == AF_INET){
                  printf("%s: AF_INET\n", ifr->ifr_name);
              } else {
                  printf("%s: %d.  It is an unknown address family.\n", 
                          ifr->ifr_name, sa->sin_family);
              }
              ifr++;
          }
      }
    
  • 这段程序在我的机器上的运行结果是这样的:

    ioctl无法获取ipv6地址

    图1:ioctl无法获取ipv6地址

  • 我们看到,不管怎么折腾,返回的仍然只有 ipv4 的地址,所以我们需要一些其他的方法获得 ipv6 地址,下面介绍三种使用 C 语言获得 ipv6 地址的方法。

2. 从文件/proc/net/if_inet6中获取ipv6地址

  • 我们先来看看文件/proc/net/if_inet6中有什么内容

    文件/proc/net/if_inet6内容

    图2:文件/proc/net/if_inet6内容

  • 这个文件中,每行为一个网络接口的数据,每行数据分成 6 个字段
字段序号字段名称字段说明
1ipv6addressIPv6地址,32位16进制一组,中间没有:分隔符
2ifindex接口设备号,每个设备都不同,按 16 进制显示
3prefixlen16进制显示的前缀长度,类似 ipv4 的子网掩码的东西
4scopeidscope id
5flags接口标志,这些标志标识着这个接口的特性
6devname接口设备名称
  • 所以从这个文件中可以很容易地获得所有接口的 ipv6 地址

      #include <stdio.h>
      #include <linux/if.h>
      #include <netinet/in.h>
      #include <arpa/inet.h>
    
      int main(void) {
          FILE *f;
          int scope, prefix;
          unsigned char _ipv6[16];
          char dname[IFNAMSIZ];
          char address[INET6_ADDRSTRLEN];
    
          f = fopen("/proc/net/if_inet6", "r");
          if (f == NULL) {
              return -1;
          }
          while (19 == fscanf(f,
                              " %2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx\
                              %2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx%2hhx \
                              %*x %x %x %*x %s",
                              &_ipv6[0], &_ipv6[1], &_ipv6[2], &_ipv6[3], 
                              &_ipv6[4], &_ipv6[5], &_ipv6[6], &_ipv6[7],
                              &_ipv6[8], &_ipv6[9], &_ipv6[10], &_ipv6[11], 
                              &_ipv6[12], &_ipv6[13], &_ipv6[14], &_ipv6[15],
                              &prefix, &scope, dname)) {
              if (inet_ntop(AF_INET6, _ipv6, address, sizeof(address)) == NULL) {
                  continue;
              }
              printf("%s: %s\n", dname, address);
          }
          fclose(f);
    
          return 0;
      }
    
  • fscanf 中的 %2hhx 是一种不多见的用法,hhx 表示后面的指针 &_ipv6[x] 指向一个 unsigned char *,2 表示从文件中读取的长度,这个是常用的;
  • 关于 fscanf 中的 hh 和 h 的用法,可以查看在线手册 man fscanf 了解更多的内容;
  • ipv6 地址一共 128 位,16 位一组,一共 8 组,但是这里为什么不一次从文件中读入 4 个字符(16 位),读 8 次,而要一次读入 2 个字符读 16 次呢?
    • 这个要去看 inet_ntop 的参数,我们先使用命令 man inet_ntop 看一下 inet_ntop 的在线手册
        const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
      
    • 当第 1 个参数 af = AF_INET6 时,对于第 2 个参数,还有说明:
        AF_INET6
            src  points  to  a struct in6_addr (in network byte order) which is converted to a representation of
            this address in the most appropriate IPv6 network address format for this address.  The  buffer  dst
            must be at least INET6_ADDRSTRLEN bytes long.
      
    • 很显然,需要第 2 个参数指向一个 struct in6_addr,这个结构在 netinet/in.h 中定义:
        /* IPv6 address */
        struct in6_addr
        {
            union
            {
                uint8_t  __u6_addr8[16];
                uint16_t __u6_addr16[8];
                uint32_t __u6_addr32[4];
            } __in6_u;
        #define s6_addr         __in6_u.__u6_addr8
        #ifdef __USE_MISC
        # define s6_addr16      __in6_u.__u6_addr16
        # define s6_addr32      __in6_u.__u6_addr32
        #endif
        };
      
    • 这个结构在一般情况下使用的是 uint8_t __u6_addr8[16],也就是 16 个 unsigned char 的数组;
    • 所以,实际上 struct in6_addr 的结构如下
        struct in6_addr {
            unsigned char __u6_addr8[16];
        }
      
    • 这就是我们在读文件时为什么要一次读入 2 个字符,读 16 次,要保证读出的内容符合 struct in6_addr 的定义;
  • 一次从文件中读入 4 个字符(16 位),读 8 次,和一次读入 2 个字符读 16 次有什么不同呢?我们以 16 进制的 f8e9 为例
    • 当我们每次读入 2 个字符,读 2 次时,在内存中的排列是这样的
        unsigned char _ipv6[16];
        fscanf(f, "%2hhx2hhx", &_ipv6[0], &_ipv6[1]);
        unsigned char *p = _ipv6
        f8  e9
        -+  -+
         |   |
         |   +------- p + 1
         +----------- p
      
    • 当我们每次读入 4 个字符,读 1 次时,在内存中的排列是这样的
        unsigned int _ipv6[8]
        fscanf(f, "%4x", &_ipv6[0])
        unsigned char *p = (unsigned char *)_ipv6
        e9  f8
        -+  -+
         |   |
         |   +------- p + 1
         +----------- p
      
    • 这是因为 X86 系列 CPU 的存储模式是小端模式,也就是高位字节要存放在高地址上,f8e9 这个数,f8 是高位字节,e9 是低位字节,所以当我们把 f8e9 作为一个整数读出的时候,e9 将存储在低地址,f8 存储在高地址,这和 struct in6_addr 的定义是不相符的;
    • 所以如果我们一次读 4 个字符, 读 8 次,我们就不能使用 inet_ntop() 去把 ipv6 地址转换成我们所需要的字符串,当然我们可以自己转换,但有些麻烦,参考下面代码
        unsigned short int _ipv6[8];
        int zero_flag = 0;
        while (11 == fscanf(f,
                            " %4hx%4hx%4hx%4hx%4hx%4hx%4hx%4hx %*x %x %x %*x %s",
                            &_ipv6[0], &_ipv6[1], &_ipv6[2], &_ipv6[3], 
                            &_ipv6[4], &_ipv6[5], &_ipv6[6], &_ipv6[7],
                            &prefix, &scope, dname)) {
            printf("%s: ", dname);
            for (int i = 0; i < 8; ++i) {
                if (_ipv6[i] != 0) {
                    if (i) putc(':', stdout); 
                    printf("%x", _ipv6[i]);
                    zero_flag = 0;
                } else {
                    if (!zero_flag) putc(':', stdout);
                    zero_flag = 1;
                }
            }
            putc('\n', stdout);
        }
      
    • 和上面的代码比较,多了不少麻烦,自己去体会吧。

3. 使用getifaddrs()获取 ipv6 地址

  • 可以通过在线手册 man getifaddrs 了解详细的关于 getifaddrs 函数的信息;
  • getifaddrs 函数会创建一个本地网络接口的结构链表,该结构链表定义在 struct ifaddrs 中;
  • 关于 ifaddrs 结构有很多文章介绍,本文仅简单介绍一下与本文密切相关的内容,下面是 struct ifaddrs 的定义
      struct ifaddrs {
          struct ifaddrs  *ifa_next;    /* Next item in list */
          char            *ifa_name;    /* Name of interface */
          unsigned int     ifa_flags;   /* Flags from SIOCGIFFLAGS */
          struct sockaddr *ifa_addr;    /* Address of interface */
          struct sockaddr *ifa_netmask; /* Netmask of interface */
          union {
              struct sockaddr *ifu_broadaddr;
                              /* Broadcast address of interface */
              struct sockaddr *ifu_dstaddr;
                              /* Point-to-point destination address */
          } ifa_ifu;
      #define              ifa_broadaddr ifa_ifu.ifu_broadaddr
      #define              ifa_dstaddr   ifa_ifu.ifu_dstaddr
          void            *ifa_data;    /* Address-specific data */
      };
    
  • ifa_next 是结构链表的后向指针,指向链表的下一项,当前项为最后一项时,该指针为 NULL;
  • ifa_addr 是本文主要用到的项,这是一个 struct sockaddr, 看一下 struct sockaddr 的定义:
      struct sockaddr {
          sa_family_t sa_family;
          char        sa_data[14];
      }
    
  • 实际上,当 ifa_addr->sa_family 为 AF_INET 时,ifa_addr 指向 struct sockaddr_in;当 ifa_addr->sa_family 为 AF_INET6 时,ifa_addr 指向一个 struct sockaddr_in6;
  • sockaddr_in 和 sockaddr_in6 这两个结构同样可以找到很多介绍文章,这里就不多说了,反正这里面是结构套着结构,要把思路捋顺了才不至于搞乱;
  • 下面是使用 getifaddrs() 获取 ipv6 地址的源程序,可以看到,打印 ipv6 地址的那几行,与上面的那个例子是一样的;

      #include <arpa/inet.h>
      #include <ifaddrs.h>
      #include <stdio.h>
      #include <stdlib.h>
    
      int main () {
          struct ifaddrs *ifap, *ifa;
          struct sockaddr_in6 *sa;
          char addr[INET6_ADDRSTRLEN];
    
          if (getifaddrs(&ifap) == -1) {
              perror("getifaddrs");
              exit(1);
          }
    
          for (ifa = ifap; ifa; ifa = ifa->ifa_next) {
              if (ifa->ifa_addr && ifa->ifa_addr->sa_family == AF_INET6) {
                  // 打印ipv6地址
                  sa = (struct sockaddr_in6 *)ifa->ifa_addr;
                  if (inet_ntop(AF_INET6, (void *)&sa->sin6_addr, addr, INET6_ADDRSTRLEN) == NULL)
                      continue;
                  printf("%s: %s\n", ifa->ifa_name, addr);
              }
          }
    
          freeifaddrs(ifap);
          return 0;
      }
    
  • 最后要注意的是,使用 getifaddrs() 后,一定要记得使用 freeifaddrs() 释放掉链表所占用的内存。
  • 这个例子中,我们使用 inet_ntop() 将 sin6_addr 结构转换成了字符串形式的 ipv6 地址,还可以使用 getnameinfo() 来获取 ipv6 的字符串形式的地址;
  • 可以通过在线手册 man getnameinfo 了解 getnameinfo() 的详细信息
  • 下面是使用 getifaddrs() 获取 ipv6 地址并使用 getnameinfo() 将将 ipv6 地址转变为字符串的源程序

      #include <arpa/inet.h>
      #include <ifaddrs.h>
      #include <stdio.h>
      #include <stdlib.h>
    
      #include <netdb.h>
    
      int main () {
          struct ifaddrs *ifap, *ifa;
          char addr[INET6_ADDRSTRLEN];
    
          if (getifaddrs(&ifap) == -1) {
              perror("getifaddrs");
              exit(1);
          }
    
          for (ifa = ifap; ifa; ifa = ifa->ifa_next) {
              if (ifa->ifa_addr && ifa->ifa_addr->sa_family == AF_INET6) {
                  // 打印ipv6地址
                  if (getnameinfo(ifa->ifa_addr, 
                                  sizeof(struct sockaddr_in6), 
                                  addr, sizeof(addr), 
                                  NULL, 0, 
                                  NI_NUMERICHOST))
                      continue;
                  printf("%s: %s\n", ifa->ifa_name, addr);
              }
          }
    
          freeifaddrs(ifap);
          return 0;
      }
    
  • 和前面那个程序相比,这个程序增加了一个包含文件 netdb.h,这里面有 getnameinfo() 的一些相关定义;
  • 在这里使用函数 getnameinfo 时,要明确 ifa->ifa_addr 指向的是一个 struct sockaddr_in6,后面的常数 NI_NUMERICHOST 表示返回的主机地址为数字字符串;
  • 和上面的例子略有不同的是,使用 getnameinfo 获取的 ipv6 地址的最后会使用 ‘%’ 连接一个网络接口的名称,如下图所示:

    使用getnameinfo获取ipv6地址

    图3:使用getnameinfo获取ipv6地址

  • netlink socket 是用户空间与内核空间通信的又一种方法,本文并不讨论 netlink 的编程方法,但给出了使用 netlink 获取 ipv6 地址的源程序;
  • 与上面两个方法比较,使用 netlink 获取 ipv6 地址的方法略显复杂,在实际应用中并不多见,所以本文也就不进行更多的讨论了;
  • 下面是使用 netlink 获取 ipv6 地址的源程序

      #include <asm/types.h>
      #include <arpa/inet.h>
      #include <linux/netlink.h>
      #include <linux/rtnetlink.h>
      #include <sys/socket.h>
      #include <string.h>
      #include <stdio.h>
    
      int main(int argc, char ** argv) {
          char buf1[16384], buf2[16384];
    
          struct {
              struct nlmsghdr nlhdr;
              struct ifaddrmsg addrmsg;
          } msg1;
    
          struct {
              struct nlmsghdr nlhdr;
              struct ifinfomsg infomsg;
          } msg2;
    
          struct nlmsghdr *retmsg1;
          struct nlmsghdr *retmsg2;
    
          int len1, len2;
    
          struct rtattr *retrta1, *retrta2;
          int attlen1, attlen2;
    
          char pradd[128], prname[128];
    
          int sock = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE);
    
          memset(&msg1, 0, sizeof(msg1));
          msg1.nlhdr.nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(sizeof(struct ifaddrmsg));
          msg1.nlhdr.nlmsg_flags = NLM_F_REQUEST | NLM_F_ROOT;
          msg1.nlhdr.nlmsg_type = RTM_GETADDR;
          msg1.addrmsg.ifa_family = AF_INET6;
    
          memset(&msg2, 0, sizeof(msg2));
          msg2.nlhdr.nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(sizeof(struct ifinfomsg));
          msg2.nlhdr.nlmsg_flags = NLM_F_REQUEST | NLM_F_ROOT;
          msg2.nlhdr.nlmsg_type = RTM_GETLINK;
          msg2.infomsg.ifi_family = AF_UNSPEC;
    
          send(sock, &msg1, msg1.nlhdr.nlmsg_len, 0);
          len1 = recv(sock, buf1, sizeof(buf1), 0);
          retmsg1 = (struct nlmsghdr *)buf1;
    
          while NLMSG_OK(retmsg1, len1) {
              struct ifaddrmsg *retaddr;
              retaddr = (struct ifaddrmsg *)NLMSG_DATA(retmsg1);
              int iface_idx = retaddr->ifa_index;
    
              retrta1 = (struct rtattr *)IFA_RTA(retaddr);
              attlen1 = IFA_PAYLOAD(retmsg1);
    
              while RTA_OK(retrta1, attlen1) {
                  if (retrta1->rta_type == IFA_ADDRESS) {
                      inet_ntop(AF_INET6, RTA_DATA(retrta1), pradd, sizeof(pradd));
    
                      len2 = recv(sock, buf2, sizeof(buf2), 0);
                      send(sock, &msg2, msg2.nlhdr.nlmsg_len, 0);
                      len2 = recv(sock, buf2, sizeof(buf2), 0);
                      retmsg2 = (struct nlmsghdr *)buf2;
                      while NLMSG_OK(retmsg2, len2) {
                          struct ifinfomsg *retinfo;
                          retinfo = NLMSG_DATA(retmsg2);
                          memset(prname, 0, sizeof(prname));
                          if (retinfo->ifi_index == iface_idx) {
                              retrta2 = IFLA_RTA(retinfo);
                              attlen2 = IFLA_PAYLOAD(retmsg2);
    
                              while RTA_OK(retrta2, attlen2) {
                                  if (retrta2->rta_type == IFLA_IFNAME) {
                                      strcpy(prname, RTA_DATA(retrta2));
                                      break;
                                  }
                                  retrta2 = RTA_NEXT(retrta2, attlen2);
                              }
                              break;
                          }
                          retmsg2 = NLMSG_NEXT(retmsg2, len2);       
                      }
                      printf("%s: %s\n", prname, pradd);
                  }
                  retrta1 = RTA_NEXT(retrta1, attlen1);
              }
              retmsg1 = NLMSG_NEXT(retmsg1, len1);       
          }
          return 0;
      }
    

    5. 结语

  • 本文给出了三种获取 ipv6 地址的方法,均给出了完整的源程序;
  • 本文对三种方法并没有展开讨论,以免文章冗长;
  • 仅就获取 ipv6 地址而言,前两种方法比较常用而且简单;
  • 通常认为,用户程序与内核通讯有四种方法
    1. 系统调用
    2. 虚拟文件系统(/proc、/sys等)
    3. ioctl
    4. netlink
  • 本文所述的三个方法,正是使用了上述 2、3、4 三种方法;而获取 ipv6 地址,简单地使用系统调用无法实现。

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