(1) 对地址族无根据的假定。在使用数据结构存储地址或对地址进行分析处理时，为了编程的方便，无根据地假定地址是IPv4或IPv6的。in_addr, sockaddr_in, in6_addr, sockaddr_in6这四个存储地址的结构体都包含了对地址族的假定。因些应该避免随意使用这些结构体。sockaddr_storage虽然是协议无关的地址结构，但它既能表示IP地址，又能表示传输层的端地址(IP地址和端口)，使用时通常要进行强制类型转换，绕过了编译期的类型安全检查，这种模糊性会增加编程出错的可能性。而且它有128个字节长，显得十分臃肿。

　　(2)使用只支持IPv4的函数。有些socket API由于历史原因只支持IPv4，应该避免使用。这样的函数有：DNS函数(gethostbyname, gethostbyaddr)，地址与字符串转换函数(inet_ntoa, inet_addr)。

　　(3)参数中需要对地址族有先验知识的函数。inet_pton和inet_ntop两个函数虽然同时支持IPv4和IPv6，但它们的接口需要传入地址族类型。如果预先把地址族类型写死在程序里，将产生协议相关性，因此不推荐使用这两个函数。

　　(4)参数中含有地址的函数。这些函数一般都使用sockaddr*作为参数类型，它们自身是协议无关的，但如果函数调用方使用了协议相关的地址结构，将产生协议相关性。这样的函数主要有：bind, connect, accept, recvfrom, sendto, getsockname, getpeername。使用这些函数需要小心。

　　(5)使用了协议相关的socket 选项。有些socket选项对于IPv4和IPv6来说是不同的，直接使用它们将产生协议相关性。常见的这类选项有：跳数设置、加入退出ASM/SSM组播组等。

　　为了消除这些导致协议相关的因素，本文实现了一个协议无关socket类库。首先使用IPAddress类重新对IP地址进行了封装。IPAddress类包含一个记录地址族的成员变量，既可以表示IPv4地址又可以表示IPv6地址。IPAddress对象只有18字节。IPAddress支持以协议无关的方式从字符串解析出网络地址，而不需要提供先验的地址族信息。再用IPEndPoint对传输层的端地址进行了封装，IPEndPoint包含IPAddress和一个端口。IPEndPoint只有20字节，相比sockaddr_storage小了108字节。

　　DNS解析的任务由Dns类的一组静态函数完成。在函数的内部使用同时支持IPv4和IPv6的getaddrinfo和getnameinfo函数，而不使用只支持IPv4的gethostbyname和gethostbyaddr。对包含IP地址的addrinfo结构，使用IPAddressInfo类进行了协议无关的封装。

　　网络编程接口由Socket类实现。将常用的socket API都封装到Socket类中。所有参数中带有地址的函数，都用协议无关的IPAddress或IPEndPoint代替掉。

　　对于IPv4和IPv6下不同的socket选项进行统一化处理。对外提供统一的接口函数，内部根据协议族的不同选择不同的实现方式。例如传统上进行ASM/SSM组播编程，需要记住8个选项名和4个额外的数据结构，经常容易出错。但经过统一化处理后，只需要记住四个非常简单的函数：

　　JoinGroup/JoinSourceGroup
　　LeaveGroup/LeaveSourceGroup

　　接口的参数里只有IPAddress，不需要任何额外的结构体。这使组播编程大大简化。

　　5  对标准输入输出流的扩展

　　流传输模型是一种对数据传输系统的抽象，适用性非常广。连续访问内存中的字节串可以看成是流，对文件数据进行读写也可以通过流的方式进行，TCP传输也是一种流式的通信方式。

　　由于流是一种通用性很强的数据传输抽象，在各种高级编程语言的标准库中都对它提供了内置的支持，C++也不例外。

　　C++提供的标准输入输出流类都派生自模板类basic_iostream。对于一种数据结构来说,这样的好处是，它的输入输出函数只需要针对basic_iostream的接口写一次，而不用考虑各种不同输入输出设备之间的差异。在进行实际的输入输出操作时，执行操作的对象属于具体的basic_iostream的派生类，C++的虚函数和多态机制保证了对不同设备采用不同的处理方式。

　　但在C++标准库里只支持针对内存数据的stringstream和针对文件系统数据的fstream，而没有针对TCP流进行处理的网络输入输出流类。这就需要维护两套代码，分别用于处理文件流和网络流，这样既麻烦又容易出错。因此对C++标准输入输出流的实现以及扩展方法进行了研究，实现了面向网络传输的输入输出流类。

　　首先从basic_streambuf类派生出SockStreamBuf，实现网络传输流的缓冲区。在实现SockStreamBuf时，需要对basic_streambuf的如下几个虚函数进行改写，如表1所示。

　　在实现这些虚函数时需要注意：在输出缓冲区满时发送数据以释放缓冲区，或在输入缓冲区空时接收数据以填充缓冲区。除了实现基本的basic_iostreambuf接口外，针对网络传输的特点，还增加了判断tcp连接状态、设置超时等接口。

　　第二步，再从basic_iostream派生出SockStream。SockStream与basic_iostream最本质的不同是它的底层缓冲区是SockStreamBuf，所有对网络传输的处理都由SockStreamBuf完成，SockStream对basic_iostream的扩展仅仅是为了使用方便。例如SockStream提供的open函数，使我们可以用打开文件的方式打开一个TCP连接。例如：

　　SockStream stream1(“166.111.8.238:23”);
　　SockStream stream2;
　　stream2.open(“www.tsinghua.edu.cn:80”);

　　6  应用实例

　　此类库已经被成功地应用于一个CERNET2网络主动测量项目。

　　作为“CNGI大规模路由和组播技术的研究与试验”项目的一部分，在CERNET2主干网的25个核心路由器周围将部署50台服务器，每台路由器有两个服务器与之直接相连。在这些服务器上将部署用于主动测量[8]的探针程序Probe。图中上部的PMS(Probe Manager Server)服务器是专门用于集中管理这些Probe的服务器。在PMS的统一管理与控制下，Probe之间通过相互发送测量数据包对主干网的网络特性进行主动测量。PMS对外以telnet接口提供控制和数据接口。Web Server使用此接口向用户提供可视化控制和数据界面。

　　此系统中所有网络通信都由本类库完成。Probe之间的测量数据包传输采用IPv4、IPv6下的单播，ASM/SSM组播六种方式；Probe与PMS之间的接口采用基于TCP的二进制协议；PMS与WebServer之间采用基于TCP的文本协议：telnet。这两个接口都同时支持IPv4和IPv6。Probe和PMS都支持跨平台，同时支持Linux和Windows操作系统。

　　经过实验室环境下的测试运行，该系统运行正确稳定。

　　7  结语

　　本文研究了跨平台程序设计和协议无关网络编程技术，以及面向网络的标准输入输出流的实现技术。在这些技术的基础上，实现了一个跨平台协议无关的网络类库，并通过实际系统验证了该类库达到了跨平台和协议无关的设计目标，而且具有较好的易用性和健壮性。如果此类库可以得到推广使用，将会提高网络应用软件开发效率，减少跨平台程序的实现难度，增加同时支持IPv4和IPv6的应用软件数量，从而有助于IPv4向IPv6的平滑过渡。

　　参考文献
　　[1]  W. Richard Stevens, Bill Fenner, Andrew M. Rudoff. Unix Network Programming Volume 1, Third Edition: The Socket Networking API, Addison Wesley, 2003.
　　[2]  Gilligan R, Thomson S, J Bound, et al. Basic Socket Interface Extension for IPv6, RFC3493, 2003.
　　[3]  IEEE, The Open Group. IEEE Std 1003.1, POSIX.1, 2003
　　[4]  Estrin D, Farinacci D, Helmy A, et al. Protocol Independent Multicast-Sparce Mode (PIM-SM) :Protocol Specification. RFC2362, June 1998.
　　[5]  Bjarne Stroustrup. The C++ Programming Language, Third Edition, Addison Wesley, 1997.
　　[6]  R. Fielding, J. Gettys, J Mogul, et al. Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.1, RFC2068, 1997.
　　[7]  Sun Microsystems, Inc. The Java[TM] Platform White Paper. http://java.sun.com/docs/white/platform/javaplatformTOC.doc.html
　　[8]  Hansen T, Otero J, McGregor T, and Braun H-W. Active Measurement Data Analysis Techniques.NLANR, 2000.

　　作者简介：

　　蒋锦鹏(1984-)，男，甘肃人，硕士，主要研究方向为网络体系结构，网络测量，网络流媒体。
　　李星(1956-)，男，北京人，教授，博士生导师，主要研究方向为计算机网络与应用。
　　包丛笑(1967-)，女，上海人，副研究员，主要研究方向为计算机网络与应用。