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；阅读本文需要有一定的网络编程基础知识和IPv6的知识。

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：

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    #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；

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    #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
    1 ipv6address IPv6地址，32位16进制一组，中间没有:分隔符
    2 ifindex 接口设备号，每个设备都不同，按 16 进制显示
    3 prefixlen 16进制显示的前缀长度，类似 ipv4 的子网掩码的东西
    4 scopeid scope id
    5 flags 接口标志，这些标志标识着这个接口的特性
    6 devname 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

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    #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 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 
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      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： 
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      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： 
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      /* 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 
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      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 
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      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 
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      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 
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      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

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    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：

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    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；

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    #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

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    #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 
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    #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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