高效存储IPv4/IPv6地址的方法

Question

我正在开发一个C/C++网络项目，它应该能够同时使用IPv4和IPv6网络协议栈。 该项目仅适用于Linux操作系统。 因此，我试图找到一种有效的方法来存储IP地址并区分协议族。 第一种方法是使用联合体：

struct ip_addr {
   uint8_t fam; // socket family type
   union {
       struct in_addr ipv4_sin_addr;
       struct in6_addr ipv6_sin_addr;
   } addr;
};

第三种方法是使用int128_t/uint128_t或来自gcc的__int128_t。

对于最后一种情况，我想知道从哪个版本的GCC开始支持这些类型，支持哪些平台（特别是IA-32/IA-64），还有是否存在已知的bug。另外，上述解决方案中哪一个可能是最方便的？

- evelina

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我不确定int128_t是否适用于IPv6地址。Posix在其API中提供了其他类型。对于GCC，最好使用最新版本（2014年10月的GCC 4.9.1），如果可能的话使用C++11。 - Basile Starynkevitch

我建议使用 struct sockaddr_in6 结构体来处理 IPv6 地址。 - πάντα ῥεῖ

你很少会将IP地址用作实际数字（除非它们以网络字节顺序提供）。所以再次强调：使用uint128_t来表示IPv6地址可能是一个非常糟糕的想法！ - πάντα ῥεῖ

@πάντα ῥεῖ 我刚刚完成了编辑。 - evelina

struct sockaddr_storage 可用于面向用户族群存储，它非常方便，但并非按位紧凑的定义。 - Steve-o

Answer 1

如第一个答案所述，自GCC 4.6.4起已提供128位整数支持。

你的问题不在于128位整数支持，而是如何正确表示IPv6地址。
正确的答案是使用套接字API中可用的struct定义。

这些定义适用于各种操作系统实现的IPv6堆栈，并已标准化。
此外，您无需担心使用这些定义会影响效率。对齐打包将正常工作，您不必关心实际表示的大小端与网络字节顺序问题。

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关于您的编辑：

您不需要重新发明轮子！已经有适当的struct定义可正确地处理AF_xxx族类型。

查看这些资源以获取更详细的解释：

• 理解struct sockaddr。
• sys/socket.h - 主套接字头文件
• netinet/in.h - 互联网地址族

我们的生产环境中有一个 IpAddr 类，它使用不透明的 sockaddr_in* 和 sockaddr_in6* 指针来封装基于 sockaddr* 指针的 IPv4 或 IPv6 地址，并根据结构体的 sa_family 成员使用 reinterpret_cast<> 进行转换。请注意保留 HTML 标签。

- πάντα ῥεῖ

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我曾经看到一个开源项目（chromium）使用了与您提到的类似的表示方法：它使用了一个名为SockaddrStorage [1]的结构体和一个名为IPEndPoint的类来处理这个结构体。 这个结构体的问题在于，当你需要一个端口或者想要创建一个套接字（例如：bind、connect调用）时，它才有用，而不仅仅是用来存储IP地址。 [1] http://goo.gl/hSyW8o - evelina

我需要一种内部存储IP的方法，以便在从字符串表示（例如：从标志或环境变量）转换后进行操作。 我发现使用struct ip_addr更方便，因为它对于像inet_ntop / inet_pton这样的调用更加方便。 无法使用sockaddr（仅作为指针而非单独使用）因为sa_data字段不足以存储IPv6地址。 - evelina

@evelina "我需要一种内部方式来存储IP地址，以便从字符串表示形式（例如：从标志或环境变量）进行转换。" 嗯，我不明白你实际上所担心的是“效率”。所提到的结构将很好地表示IP协议相关类型。 - πάντα ῥεῖ

好的答案。正在使用它。 - Drew

Answer 2

根据此线程，在版本4.2左右引入了__int128_t和__uint128_t。根据GCC的文档，在GCC 4.6.4及以上版本中支持__int128及其无符号类型unsigned __int128。

需要注意的是，一个不可移植的128位整数绝对不是保存和处理IPv6地址的适当类型。如评论中所述，有特殊的数据结构可以使用，例如sockaddr_in6。

- Columbo

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这解决了128位整数的支持问题，但恐怕那不是IPv6地址表示的正确数据类型 :-/ ... - πάντα ῥεῖ

我已经放上了自己的答案，因为得到了建议。但是指出Y问题可以改进你的答案。 - πάντα ῥεῖ

@Loopunroller 谢谢你的回答！我已经添加了更多关于我的问题的信息。 - evelina

Answer 3

这段代码来自nginx。它与第一个答案相同。 我认为使用指针sockaddr_in*不是一个好主意。

typedef union {
    struct sockaddr           sockaddr;
    struct sockaddr_in        sockaddr_in;
#if (NGX_HAVE_INET6)
    struct sockaddr_in6       sockaddr_in6;
#endif
#if (NGX_HAVE_UNIX_DOMAIN)
    struct sockaddr_un        sockaddr_un;
#endif
} ngx_sockaddr_t;

https://github.com/nginx/nginx/blob/912fb44e25c6ab2598e36b4544c709b871251b2e/src/core/ngx_inet.h#L44

- along