WindowsでのIPv6プログラミング講座　第２回

  アドレス情報 -------------------> アドレス情報 -------------> NULL
    +プロトコル種類: IPv6             +プロトコル種類: IPv4
    +アドレス:       2001:db8:1::80   +アドレス:       192.168.1.80

　となります。次に、ブロック(2)ではアドレス情報リストの先頭の要素から順にサーバへの接続を試行しています。成功したら以降の要素については試行を打ち切ることで、最初に成功したアドレスと通信と行います。もし上記のリストでIPv6で接続できれば、IPv4での接続試行は行いません。逆にIPv6で接続できなければ、IPv4での接続に自動的に処理が切り替わります。この動作をIPv6からIPv4へのフォールバック動作と呼び、TCPを利用する多くのIPv6対応プログラムの基本的な構造になっています。

　リスト2にTCP echoクライアントのソースコードを示します。図2で示した、基本構造がリスト2のソースコード上ではどのように実現されているか順を追って見ていきます。

●16～21行目の処理。TCP echoクライアントはコマンドラインからサーバのホスト名を受け取り、これをnodename変数で参照可能とします。

016:    /** コマンドライン引数の処理（サーバ名をコマンドラインから読み取る） */
017:    if (argc != 2) {
018:        fprintf(stderr, "syntax: tcp-echo-client servername\n");
019:        exit(1);
020:    }
021:    nodename = argv[1];

023:    /** WinSockの初期化 */
024:    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)) {
025:        fprintf(stderr, "can not initilize WinSock\n");
026:        exit(1);
027:    }

029:    /** 名前解決とADDRINFOリストの生成 */
030:    memset(&hints, 0, sizeof(hints));
031:    /* IPv6/IPv4 */
032:    hints.ai_family = AF_UNSPEC;
033:    /* ソケットのタイプとしてストリーム型(TCP)を指定 */
034:    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
035:    /* 名前解決を行いADDRINFOリストを生成。ai0がリストの先頭を表す */
036:    if (e = getaddrinfo(nodename, servname, &hints, &ai0)) {
037:        fprintf(stderr, "%s\n", gai_strerror(e));
038:        exit(1);
039:    }

struct addrinfo 
{
    int             ai_flags;
    int             ai_family;     /* AF_UNSPEC, AF_INET6, or AF_INET */
    int             ai_socktype;   /* SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM */
    int             ai_protocol;   /* IPPROTO_IP, IPPROTO_TCP, IPPROTO_UDP */
    size_t          ai_addrlen;    /* ai_addrの大きさ */
    char            *ai_canonname;
    struct sockaddr *ai_addr;      /* ソケットアドレスへのポインタ */
    struct addrinfo *ai_next;      /* ADDRINFOのリストを構成するた */
                                   /* めの連結ポインタ */
};

　ai_familyは通信に使用するプロトコルを指定します。（IPv6, IPv4など）プロトコルを問わない場合は、AF_UNSEPCを指定し、もし通信に対して特定のプロトコルの使用を強制したい場合はAF_INET6, AF_INETなどを与えます。

　ai_socktypeはSOCK_STREAM, SOCK_DGRAMなどトランスポート層のプロトコルを指定します。ai_protocolは29～39行目の処理では特に指定していませんが、ai_familyとai_socktypeの内容からgetaddrinfo()が適切なプロトコルを自動的に選びます。

　今回作成するTCP echoクライアントが利用するプロトコルやポート名（番号）は表1

hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;

　としてヒント情報(hints)を初期化し、36行目のgetaddrinfo()の呼び出しを行いました。ホスト名、サービス名の解決が成功すると、getaddrinfo()は内部でホスト名から得られたIPアドレスの数だけアドレス情報（ADDDRINFO）の要素を連ねてリストを作り出します。第4引数のai0はリストの先頭を示すよう値が初期化されます。ここでは仮にgetaddrinfo()の第1引数に与えられたTCP echoサーバが

1. IPv4アドレス 192.168.1.80
2. IPv6アドレス 2001:db8:1::80

という2つのIPアドレスを持っていたとして、生成されたリストの情報構造を図3に示します。

図3：getaddrinfo()関数が生成したADDRINFOリストの構造

　先頭の要素であるADDRINFO構造をみると、ai_family, ai_socktype,ai_protocolはそれぞれAF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCPに初期化されています。これらの3つの変数をsocket()関数に渡せばソケットを作り出すことができます。

  リストの先頭の要素については
    socket(ai->ai_family, ai->ai_socktype, ai->ai_protocol) ...... (S1)
  という呼び出しは
    socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)
  と同じ意味として展開されます。

　次にai_addrはIPv6のソケットアドレス（SOCKADDR_IN6型）で初期化されており、ai_addrlenにはSOCKADDR_IN6構造体のサイズ（sizeof(SOCKADDR_IN6)）が格納されています。なおADDRINFOリストの2番目の要素はIPv4(AF_INET)ですが、ai_addrの部分に注目するとIPv4のソケットアドレス（SOCKADDR_IN型）で初期化されています。図3でのSOCKADDR_IN6型のソケットアドレスの内部を観察すると、in6_addrとsin6_portには、IPv6アドレスとポート番号がすでに設定されています。プログラマはソケットアドレスの生成について気にする必要はなく、(S1)で生成したソケットに対して接続(connect)処理を行う必要があるときは、下記のように

  connect( (S1)で生成したソケット, ai->ai_addr, ai->ai_addrlen )

ai_addrとai_addrlen変数をconnect()関数に引き渡せばよいです。これはADDRINFOリストの2番目の要素（IPv4）を処理する場合も同様です。

●41～61行目の処理。この処理は図2におけるブロック(3)に該当する処理となります。forループによりai0で示されるADDRINFO構造体のリストの要素を先頭から順に処理していきます。変数aiは現在注目するリストの要素を指し示します。46行目でソケットの生成を行います。（参考：WinSockとバークレーソケットの違い　その１）

041:    /** サーバへの接続できるまで、各ADDRINFOリストの要素の先頭から */
042:    /** 順に試行する */
043:    for (ai = ai0; ai; ai = ai->ai_next) {
044:        /* ソケットの生成を試みる。生成に失敗したら */
045:        /* ADDRINFOリストの次の要素で接続を試行する */
046:        s = socket(ai->ai_family, ai->ai_socktype, ai->ai_protocol);
047:        if (s == INVALID_SOCKET)
048:            continue;
049:
050:        /* サーバへの接続を試みる。接続に失敗したら */
051:        /* ADDRINFOリストの次の要素で接続を試行する */
052:        if (connect(s, ai->ai_addr, ai->ai_addrlen) == SOCKET_ERROR) {
053:            closesocket(s);
054:            s = INVALID_SOCKET;
055:            continue;
056:        }
057:
058:        /* ここではすでに接続が成功しているので、以降の接続試行は打ち切る */
059:        printf("connected\n");
060:        break;
061:    }

　46行目から48行目では、もしOSがIPv6をサポートしていないなど、何らかの理由でソケットの生成に失敗したら、ADDRINFOリストの次の要素(つまりIPv4のソケット生成）を試します。ソケット生成が正しく行われたら、次はサーバへの接続を試みます。すでにソケットアドレス（ai_addr）はgetaddrinfo()により内容が構成されていますので、connect()関数にそのまま引き渡します。52行目のconnect()関数により接続が成功すれば、60行目のbreakによりforループを脱出し、直ちにサーバとの文字列受送信のI/O処理に遷移します（参考：WinSockとバークレーソケットの違い　その２）。

　もし何らかの理由により、先頭の要素（IPv6）で接続に失敗してしまったら、55行目のcontinueによりADDRINFOリストの次の要素（IPv4）での接続を試みます。continueでの再試行の前に接続できなかったソケットは閉じておき、sの値をINVALID_SOCKETに値を戻しておきます（参考：WinSockとバークレーソケットの違い　その３）。

　ここで、改めて41～61行目の処理を見ると、IPv4やIPv6など特定のプロトコルに依存する記述はありません。例えばsocket()関数の第1引数にはプロトコル名を指定しますが、プログラマがプロトコル名をハードコーディングはしていません。IPv6, IPv4のうちどのプロトコルが使用可能かgetaddrinfo()関数が調べ、通信できる可能性があるプロトコルだけADDRINFO構造体の要素を作り出します。socket()関数の第1引数には、getaddrinfo()関数がai_family変数に設定した値をそのままに渡しています。したがってプログラマがプロトコルに依存する処理を記述する必要はありません。

●65～70行目の処理。ADDRINFOリストのすべての要素（IPv6, IPv4のいずれでも）について接続が失敗した場合は、サーバにはどの方法を用いても接続できないと判断しプログラムの終了処理を行います。IPv6, IPv4のいずれかでconnect()関数が成功していればこの部分の処理はスキップされます。

063:    /** ADDRINFOリストのすべての要素に対して */
064:    /** 接続が失敗した場合はsの値はINVLIAD_SOCKETである */
065:    if (s == INVALID_SOCKET) {
066:        freeaddrinfo(ai0);
067:        WSACleanup();
068:        fprintf(stderr, "can not connect server(%s)\n", nodename);
069:        exit(1);
070:    }

●72～89行目の処理。このブロックに処理が到達したときはクライアントとサーバ間にはすでにコネクションが確立しており、データの受送信が可能な状態となっています。IPv6, IPv4のプロトコルはソケットによって完全に隠蔽されており、ソースコード上にプロトコルに依存する処理は全くありません。このブロックでの処理の概要は、標準入力からEOF(^Z)が入力されるまで文字列を受け取り、send()関数でサーバへ送信、recv()関数でサーバからのエコーバックを受信して、画面にその結果を表示するものです。

072:    /** クライアント・サーバ間のI/O処理 */
073:    /** サーバへの文字列の送信と、サーバからの文字列の受信 */
074:    while (fgets(linebuf, sizeof(linebuf), stdin) != NULL) {
075:
076:        /* 標準入力から獲得した文字列をサーバへ送信 */
077:        if (send(s, linebuf, strlen(linebuf), 0) == SOCKET_ERROR) {
078:            fprintf(stderr, "send error\n");
079:            exit(1);
080:        }
081:
082:        /* サーバから返信された文字列を受信し画面に表示 */
083:        if (recv(s, linebuf, sizeof(linebuf), 0) == SOCKET_ERROR) {
084:            fprintf(stderr, "recv error\n");
085:            exit(1);
086:        }
087:        printf(linebuf);
088:
089:    }

091:    freeaddrinfo(ai0);
092:    WSACleanup();
093:}

　TCP echoクライアントを作成する際に、IPv6に対応させるためのポイントは、getaddrinfo()関数による名前解決とADDRINFO構造体のリストの作成です。ADDRINFO構造体の内部にプロトコルに依存する情報とサーバへの接続に必要な情報を詰め込むのはgetaddrinfo()関数であり、プログラマがこれらの情報を生成する必要はありません。プロトコルに依存する情報の生成をすべてシステムに任せることで、プロトコル非依存のプログラム作成が可能です。またADDRINFO構造のリストを接続できるまで順に処理することで、IPv6で接続を試み、失敗したらIPv4に自動的にフォールバックするプログラムが実現できます。次回は、引き続きIPv6に対応したTCP echoサーバの作成を行います。

リスト2：tcp-echo-client.c

#include ‹winsock2.h›
#include ‹ws2tcpip.h›
#include ‹stdio.h›

int main(int argc, char *argv[])
{
    WSADATA wsaData;
    char *nodename;
    char *servname = "echo";
    ADDRINFO hints;
    LPADDRINFO ai, ai0;
    int e;
    SOCKET s;
    char linebuf[BUFSIZ];

    /** コマンドライン引数の処理（サーバ名をコマンドラインから読み取る） */
    if (argc != 2) {
	fprintf(stderr, "syntax: tcp-echo-client servername￥n");
	exit(1);
    }
    nodename = argv[1];

    /** WinSockの初期化 */
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)) {
	fprintf(stderr, "can not initilize WinSock￥n");
	exit(1);
    }

    /** 名前解決とADDRINFOリストの生成 */
    memset(&hints, 0, sizeof(hints));
    /* IPv6/IPv4 */
    hints.ai_family = AF_UNSPEC;
    /* ソケットのタイプとしてストリーム型(TCP)を指定 */
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
    /* 名前解決を行いADDRINFOリストを生成。ai0がリストの先頭を表す */
    if (e = getaddrinfo(nodename, servname, &hints, &ai0)) {
	fprintf(stderr, "%s￥n", gai_strerror(e));
	exit(1);
    }

    /** サーバへの接続できるまで、各ADDRINFOリストの要素の先頭から */
    /** 順に試行する */
    for (ai = ai0; ai; ai = ai->ai_next) {
	/* ソケットの生成を試みる。生成に失敗したら */
	/* ADDRINFOリストの次の要素で接続を試行する */
	s = socket(ai->ai_family, ai->ai_socktype, ai->ai_protocol);
	if (s == INVALID_SOCKET)
	    continue;

	/* サーバへの接続を試みる。接続に失敗したら */
	/* ADDRINFOリストの次の要素で接続を試行する */
	if (connect(s, ai->ai_addr, ai->ai_addrlen) == SOCKET_ERROR) {
	    closesocket(s);
	    s = INVALID_SOCKET;
	    continue;
	}

	/* ここではすでに接続が成功しているので、以降の接続試行は打ち切る */
	printf("connected￥n");
	break;
    }

    /** ADDRINFOリストのすべての要素に対して */
    /** 接続が失敗した場合はsの値はINVLIAD_SOCKETである */
    if (s == INVALID_SOCKET) {
	freeaddrinfo(ai0);
	WSACleanup();
	fprintf(stderr, "can not connect server(%s)￥n", nodename);
	exit(1);
    }

    /** クライアント・サーバ間のI/O処理 */
    /** サーバへの文字列の送信と、サーバからの文字列の受信 */
    while (fgets(linebuf, sizeof(linebuf), stdin) != NULL) {

	/* 標準入力から獲得した文字列をサーバへ送信 */
	if (send(s, linebuf, strlen(linebuf), 0) == SOCKET_ERROR) {
	    fprintf(stderr, "send error￥n");
	    exit(1);
	}

	/* サーバから返信された文字列を受信し画面に表示 */
	if (recv(s, linebuf, sizeof(linebuf), 0) == SOCKET_ERROR) {
	    fprintf(stderr, "recv error￥n");
	    exit(1);
	}
	printf(linebuf);

    }

    freeaddrinfo(ai0);
    WSACleanup();
}

C:\>cl tcp-echo-client.c ws2_32.lib
Microsoft(R) 32-bit C/C++ Optimizing Compiler Version 13.10.3077 for 80x86
Copyright (C) Microsoft Corporation 1984-2002. All rights reserved.

tcp-echo-client.c
Microsoft (R) Incremental Linker Version 7.10.3077
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

/out:tcp-echo-client.exe
tcp-echo-client.obj
ws2_32.lib
C:\>

  echo   stream  tcp     nowait  root    internal
  echo   stream  tcp6    nowait  root    internal