Android平臺(tái)下移動(dòng)終端IPv6技術(shù)分析與研究

李 強(qiáng) 李 強(qiáng) 王 賡

1 上海交通大學(xué) 上海 200240

2 希姆通信息技術(shù)(上海)有限公司 上海 200335

引言

TCP/IP協(xié)議族是Internet國際互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，其定義了電子設(shè)備連入因特網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，其中，IPv4功不可沒。但隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和用戶數(shù)量急劇增加，IPv4地址正日益枯竭。為解決IP地址不足的問題，IETF(Internet Engineering Task Force，國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)設(shè)計(jì)制定了下一代網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IPv6，用于替代現(xiàn)行的IPv4版本。

在不斷擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)中，智能移動(dòng)終端特別是智能手機(jī)占了很大一部分比例。手機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)于IPv6的支持是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)支持IPv6的重要一環(huán)。伴隨著4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，IPv6在4G網(wǎng)絡(luò)中也將得到廣泛應(yīng)用。目前，雖然已經(jīng)有部分適應(yīng)IPv6網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，但大部分應(yīng)用仍只適用于IPv4網(wǎng)絡(luò)，終端廠商在實(shí)現(xiàn)IPv6功能時(shí)，必須要考慮IPv4到IPv6的平穩(wěn)過渡問題。同時(shí)，對(duì)于開發(fā)者而言，在開發(fā)新的應(yīng)用時(shí)也要考慮后續(xù)應(yīng)用遷移到IPv6網(wǎng)絡(luò)的需求。

1 移動(dòng)終端操作系統(tǒng)IPv6支持現(xiàn)狀

目前，主流的移動(dòng)操作系統(tǒng)主要包括Android、iOS、Windows Phone等。得益于Google免費(fèi)開源的優(yōu)勢，Android操作系統(tǒng)在中國市場長期處于主導(dǎo)地位，近幾年市場占有率一直處于上升勢態(tài)。如圖1所示，Kantar Worldpanel在2014年9月份進(jìn)行的消費(fèi)者調(diào)查結(jié)果顯示，在中國市場，Android操作系統(tǒng)的占有率達(dá)到83.4%，iOS占有率為15.2%，Windows Phone占有率為0.4%，其他各類操作系統(tǒng)的市場占有率之和約為1%[1]。

圖1 2014年9月中國地區(qū)移動(dòng)操作系統(tǒng)市場占有率

主流的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)都已經(jīng)宣布開始支持IPv6，Android操作系統(tǒng)采用的是Linux 2.6以后版本的內(nèi)核，默認(rèn)安裝了IPv6協(xié)議棧，但尚不支持DHCPv6和ND RDNSS。使用Google Nexus 4最新的Android 4.4版本系統(tǒng)在Wi-Fi下測試時(shí)，Android可以通過無狀態(tài)地址自動(dòng)配置獲取IPv6單播地址，但無法通過DHCPv6獲取IPv6地址。

在主流的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)中，iOS對(duì)于IPv6的支持最為全面，各系統(tǒng)支持現(xiàn)狀如表1所示[2]。iOS 4開始在iPhone、iPod和iPad上加入對(duì)IPv6的支持。DHCPv6方面，iOS 4開始支持無狀態(tài)DHCPv6，iOS 4.3.1開始支持有狀態(tài)DHCPv6。iOS 6中進(jìn)一步增加了對(duì)于IPv6的支持，包括IPv6在LTE接口上的支持等。iOS用戶可以通過IPv6 Toolkit查看IPv6地址和路由信息[3]。

表1 主流移動(dòng)終端操作系統(tǒng)IPv6支持現(xiàn)狀

移動(dòng)終端對(duì)于IPv6終端的支持除了有賴于操作系統(tǒng)外，還有賴于基帶芯片。目前，大多數(shù)芯片都已經(jīng)支持IPv4/v6雙棧，高通2012年以后的產(chǎn)品都支持IPv4/v6雙棧，MTK芯片IPv4/v6解決方案也已經(jīng)通過了國外運(yùn)營商的測試[4]?？梢姡壳爸髁鞯囊苿?dòng)芯片解決方案都已經(jīng)具備支持IPv4/v6雙棧的能力。

2 Android操作系統(tǒng)IPv6分析

Android操作系統(tǒng)采用分層的架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。Android基于Linux內(nèi)核，并且針對(duì)手持設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)電源管理、內(nèi)存管理和進(jìn)程間通信做了優(yōu)化，使Linux內(nèi)核更加適應(yīng)手機(jī)的硬件平臺(tái)。系統(tǒng)包含一些常用的C、C++庫，包括Google重寫的bionic C庫、媒體庫以及SQLite輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫等核心庫。同時(shí)，Android的所有APP都運(yùn)行在Dalvik虛擬機(jī)中。Android運(yùn)行時(shí)環(huán)境提供一個(gè)核心庫(Core Library)，該核心庫包含了JAVA核心庫的大部分功能。系統(tǒng)框架Framework層提供開發(fā)人員使用的編程的API，它為Android應(yīng)用程序開發(fā)提供接口。最上面一層便是Android應(yīng)用層，普通用戶平時(shí)使用Android手機(jī)應(yīng)用都是工作在這一層。

圖2 Android操作系統(tǒng)架構(gòu)圖

Android采用Linux內(nèi)核，Linux Kernel從2.2版本就已經(jīng)開始支持IPv6。當(dāng)前，最新的Android 4.4采用的是3.4.0版本，默認(rèn)情況下，IPv6編譯選項(xiàng)已經(jīng)被打開；因此，除非終端廠商在編譯內(nèi)核將IPv6選項(xiàng)關(guān)閉，否則，IPv6協(xié)議棧是默認(rèn)安裝在操作系統(tǒng)中。目前，中國市場上大部分Android 4.0以上版本手機(jī)默認(rèn)安裝了IPv6協(xié)議棧。

Android使用的Bionic C庫已經(jīng)有支持IPv6的socket接口，IPv4和IPv6的socket接口并不兼容，移動(dòng)終端需要通過一定的機(jī)制解決IPv4/v6相互通信的問題。應(yīng)用方面，Google+、Google Map、Facebook等應(yīng)用支持IPv6訪問，并且當(dāng)前主流的瀏覽器Chrome、Firefox等也已經(jīng)支持IPv6訪問，但大部分應(yīng)用不支持IPv6，應(yīng)用開發(fā)者需要重寫部分代碼兼容IPv4/v6雙棧。

另外，Android中的開源DHCP客戶端dhcpcd已經(jīng)開始支持DHCPv6以及ND RDNSS，但從Android Open Source的更新情況來看，Android開源團(tuán)隊(duì)還沒有將支持DHCPv6的版本移植到Android平臺(tái)中，這也是目前Android平臺(tái)尚不支持DHCPv6的原因。

基于Android 4.4操作系統(tǒng)，使用Google Nexus 4對(duì)IPv6的支持情況進(jìn)行了測試，測試環(huán)境為上海交通大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。上海交通大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開啟IPv6協(xié)議棧，Android 4.4操作系統(tǒng)接入到無線網(wǎng)絡(luò)后可以獲取IPv6地址，能夠訪問IPv6網(wǎng)站，與PC可以實(shí)現(xiàn)IPv6互ping，如圖3所示。同時(shí)，測試發(fā)現(xiàn)Android 4.4系統(tǒng)尚不支持動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCPv6。

2.1 終端廠商的考慮——IPv4/v6互通

目前，大部分應(yīng)用都只支持IPv4網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)過渡到IPv6時(shí)，為保證IPv4應(yīng)用在IPv6網(wǎng)絡(luò)中仍然能夠正常運(yùn)行，移動(dòng)終端廠商需要在操作系統(tǒng)層面進(jìn)行某種翻譯，將IPv4的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文翻譯成IPv6的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。目前，常用的兩種終端翻譯機(jī)制主要為BIS (Bump into the Stack)和BIA (Bump into the API)。

圖3 Android 4.4支持IPv6情況測試

BIS翻譯機(jī)制(如圖4所示)，將發(fā)出的IPv4包頭翻譯成IPv6包頭，將收到的IPv6包頭翻譯成IPv4包頭。Extension name resolver做地址解析的工作，按照返回的A記錄(IPv4)和AAAA記錄(IPv6)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行地址翻譯，如果只有AAAA記錄返回，那么resolver會(huì)分配給這個(gè)AAAA記錄一個(gè)相應(yīng)的A記錄，這個(gè)A記錄不需要全球唯一，因?yàn)椴粫?huì)有IPv4的包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。Address Mapper會(huì)維護(hù)AAAA記錄與A記錄的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

如圖5所示，BIA翻譯機(jī)制與BIS翻譯機(jī)制類似，不同的是BIA并不是翻譯包頭，而是在socket API調(diào)用和TCP/IP協(xié)議棧之間插入翻譯模塊。按照這個(gè)原理，對(duì)于所有IPv4 socket的調(diào)用都會(huì)翻譯成對(duì)相應(yīng)IPv6 socket的調(diào)用，F(xiàn)unction Mapper會(huì)記錄IPv4/v6函數(shù)的映射關(guān)系。BIA相對(duì)于BIS有一定的優(yōu)勢，原因在于BIA獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并且不會(huì)引入額外的包頭翻譯開銷。

IPv4過渡到IPv6必須要考慮到大量為IPv4開發(fā)的應(yīng)用，因此，移動(dòng)終端廠商需要在操作系統(tǒng)層面引入相應(yīng)的翻譯機(jī)制，以保證IPv4到IPv6的平穩(wěn)過渡。

2.2 開發(fā)者的考慮——IPv4/v6兼容API

對(duì)于開發(fā)者而言，操作系統(tǒng)對(duì)于IPv4和IPv6編程接口是否一致影響巨大。如果IPv4和IPv6的接口兼容，那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境從IPv4過渡到IPv6中時(shí)，開發(fā)人員無需對(duì)開發(fā)程序做很大改動(dòng)，只需要將IPv4的地址改為IPv6地址即可。如果兩者不兼容，那么開發(fā)人員就需要重寫應(yīng)用中與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的代碼，這不僅給開發(fā)人員帶來不必要的麻煩，而且對(duì)IPv4向IPv6過渡也會(huì)產(chǎn)生很大阻力；因此，操作系統(tǒng)提供IPv4/IPv6兼容的接口十分重要。

2.2.1 Android Java Socket接口兼容性

Android操作系統(tǒng)通過SDK向開發(fā)者提供的Socket接口來自于Android架構(gòu)中的核心庫。Android核心庫包含了JAVA核心庫的大部分功能，Socket通信也包含其中。Android使用java.net提供Socket接口。采用JAVA編寫Socket Client程序，一個(gè)典型的例子如圖6所示[5]。

圖4 BIS翻譯機(jī)制框圖

圖5 BIA翻譯機(jī)制框圖

Android 4.0以后JAVA中的Socket接口同時(shí)支持IPv4和IPv6，JAVA Socket編程的接口十分簡單，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Socket套接字，便可以從中直接讀取數(shù)據(jù)信息。創(chuàng)建套接字的參數(shù)——為服務(wù)器的主機(jī)名或者IP地址，參數(shù)二為端口號(hào)。采用JAVA編寫Socket程序時(shí)，如果第一個(gè)參數(shù)使用的是主機(jī)名的話，只要目標(biāo)主機(jī)也處在IPv6環(huán)境中，那么Socket程序無需做任何更改。如果第一個(gè)參數(shù)使用的是IP地址，只需要將IPv4地址改為IPv6地址即可。Java虛擬機(jī)底層會(huì)幫助開發(fā)者完成地址解析，在Socket創(chuàng)建的過程中，開發(fā)者不必關(guān)心創(chuàng)建的Socket類型。

圖6 JAVA Socket編程樣例

為測試在Android系統(tǒng)中是否同樣適用，文章編寫了一個(gè)測試程序。首先，在電腦上創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器，監(jiān)聽TCP的8888端口；然后，在Android系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)測試APP，按鍵時(shí)將與電腦的服務(wù)器連接，連接后服務(wù)器會(huì)在命令行打印出一段指示信息。分別測試了Android采用全局單播地址、鏈路本地地址和IPv4地址等情況，測試情況如表2所示。

表2 Android Java IPv4/v6 Socket兼容測試

2.2.2 Android Native C/C++ Socket接口兼容性

Android的另一個(gè)強(qiáng)大之處在于，在進(jìn)行Android開發(fā)時(shí)，不僅可以使用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，也可以使用C和C++語言開發(fā)自己的庫文件進(jìn)行調(diào)用，因此，Native層對(duì)于IPv4/v6兼容性也不可或缺。在Native層上采用C或者C++進(jìn)行開發(fā)時(shí)，主要調(diào)用的是前文提到的Bionic C庫。

最初C庫中提供的Socket接口是不兼容的，因?yàn)樽畛鮨ibc庫中設(shè)計(jì)的函數(shù)并沒有考慮到IPv6的存在，但是新版本的C庫已經(jīng)提供了一系列IPv4/v6無關(guān)的API，使得使用C語言也可以創(chuàng)建IPv4/v6無關(guān)的Socket通信。

圖7給出了采用libc編程時(shí)IPv4/v6兼容性的代碼示例，其中上邊框圖中的Socket只支持IPv4，這是因?yàn)閯?chuàng)建Socket必須指定協(xié)議棧類型，代碼中明確指明了Socket協(xié)議棧類型為AF_INET，并且代碼中采用的主機(jī)名到地址的轉(zhuǎn)換函數(shù)gethostbyname只支持IPv4。而下邊框圖中的客戶端程序既支持IPv4又支持IPv6，這是因?yàn)槭褂昧诵碌膸旌瘮?shù)getifaddr，函數(shù)參數(shù)之一hints可以看做一個(gè)過濾器，hints.ai_family=AF_UNSPEC表示不指定IP協(xié)議類型，則getifaddr函數(shù)可以完成從主機(jī)名到IPv4或者IPv6地址的轉(zhuǎn)化；因此，該類型代碼可以兼容IPv4和IPv6，使用時(shí)如果使用主機(jī)名，則代碼不需做任何改動(dòng)；如果使用IP地址，只需要將IPv4地址改為IPv6地址即可。服務(wù)器代碼同理，可以采用相似的方法實(shí)現(xiàn)。

圖7 IPv4/v6 socket兼容性客戶端代碼示例

最新的Android 4.4操作系統(tǒng)中提供的C庫函數(shù)已經(jīng)提供了getifaddr函數(shù)，而且核心庫通過JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的JAVA Socket接口也是通過上述兼容方法實(shí)現(xiàn)的。

綜上所述，開發(fā)者在開發(fā)Android應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量使用兼容的Socket接口和主機(jī)名參數(shù)，避免硬編碼IP地址，這樣當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境從IPv4過渡到IPv6時(shí)，原來開發(fā)的應(yīng)用基本上不用做任何修改，只需要將域名服務(wù)器中的A記錄替換為AAAA記錄即可。

3 總結(jié)

隨著IPv4地址的耗盡和IPv6技術(shù)的成熟，IPv6的大規(guī)模部署將會(huì)成為通信產(chǎn)業(yè)的必然。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，移動(dòng)終端特別是Android智能手機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的重要組成部分支持IPv6是十分必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]Kantar Worldpanel.Smartphone OS market share[EB/OL].[2014-11-1].http://www.kantarworldpanel.com/global/smartphone-os-market-share/

[2]Wikipedia.Comparison of IPv6 support in operating systems[EB/OL].[2014-11-1].http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_IPv6_support_in_operating_systems

[3]曾晨曦,傅蓉蓉,匡曉 ,等.終端軟件的IPv6技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代電信科技.2014(6):33-36

[4]嚴(yán)斌峰,張成巖,田新雪,等.IPv6終端關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展分析[J].信息通信技術(shù).2013,7(3):50-53

[5]Oracle,Networking IPv6 User Guide for JDK/JRE 5.0[EB/OL].[2014-11-1].http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/net/ipv6_guide/index.html#using