Unix网络编程学习笔记之第11章 名字与地址转换

一、 域名系统(DNS)

1. 简介

DNS主要用于主机名和IP地址之间的映射。

主机名可以是简单的名字ljm，也可以是全限定域名ljm.localdomainbaidu.com等。

 

2.资源记录

DNS中的条目称为资源记录(RR)。我们感兴趣的RR类型只有几个：

A             A记录把一个主机名映射为一个32位的IPv4地址。

AAAA    4A记录把一个主机名映射为一个128位的IPv6地址。

例如：

ljm               IN      A    127.0.0.1

                    IN      AAAA3ffe:1f8d:9bc3:1234:ef93:ac89

PTR        称为指针记录。把IP地址映射为主机名。对IPv4地址，32位的4个字节先反转顺序，再添加in-addr.arpa。对于IPv6地址，128位地址每四位组先反转，再添加ip6.arpa。

例如上面主机ljm的两个PTR记录为：

1.0.0.127.in-addr.arpa和8.9.c.a.3.9.f.e….ip6.arpa

 

3. 解析器和名字服务器

1> 名字服务器。

每个组织机构都会有一个名字服务器(有时也叫DNS服务器)。它们保存着主机名和IP地址之间的映射的资源记录。

2> 解析器

客户端和服务器端等应用程序通过解析器的函数来对主机名或IP地址进行解析。

典型的解析器函数为gethostbyname和gethostbyaddr。

3> 具体过程

 

当我们需要解析某个主机名或IP地址时，我们在代码中调用解析器函数，则解析器函数就会根据解析器配置文件(/etc/resolv.conf)中的本地名字服务器的IP地址，去发出UDP查询，如果找不到，则会在整个因特网上查询其他名字服务器。如果答案太长，则本地解析器会自动切换到TCP。

 

二、gethostbyname和gethostbyaddr函数

1. gethostbyname函数

从主机名到IPv4地址的映射。

该函数执行的只是查询A记录，所以即使主机有IPv6地址，也不会返回。

#include     <netdb.h>struct hostent* gethostbyname(const char* hostname);//返回：若成功返回非NULL指针，若出错返回NULL并设置h_errno

1> 我们来看看结构体hostent：

struct hostent{       char* h_name;      //规范名字       char** h_aliases;  //主机别名       int h_addrtype;    //地址族：AF_INET       int h_length;      //地址长度：4       char** h_addr_list;//IPv4地址};

规范名字，也可以理解为全限定域名。

主机别名，一个主机可能有多个主机别名，所以这里是二维char数组。

地址族和地址长度，由于这里只能是IPv4的地址映射，所以这两个值不会改变，既然不会改变，为何需要这两个参数？感觉有点多余。

h_addr_list，主机可能会有多个IP地址，所以这里是二维数组。这里的IP地址显然是二进制型的，如要输出也需转换表达式型。注意这里是char型的二维数组。为何不是in_addr结构的一维数组？不得而知。

2> 当gethostbyname返回错误时：

这里当函数发送错误时，不是设置errno，而是设置h_errno。一般我们使用函数hstrerror来解析这个h_errno错误值。

const char* hstrerror(int h_errno);

3> 我们来写一个例子程序，输入任意多个主机名，输出每个主机名对应的规范名字，别名，IP地址。

#include "unp.h"int main(int argc, char** argv){       char* ptr, ** pptr;       char buff[4];       struct hostent * hptr;       while(--argc>0)       {             ptr=*++argv;             if((hptr=gethostbyname(ptr))==NULL)             {                    printf("error for host : %s : %s\n", ptr,hstrerror(h_errno));                    continue;             }             printf("host name : %s\n",ptr);             for(pptr=hptr->h_aliases;*pptr!=NULL;pptr++)                    printf("aliases: %s\n",*pptr);             switch(hptr->h_addrtype)             {             case AF_INET:                    for(pptr=hptr->h_addr_list;*pptr!=NULL;pptr++)                           printf("aliases: %s\n",Inet_ntop(hptr->h_addrtype, *pptr, buff, sizeof(buff)));                    break;             default:                    printf("unknown address type\n");                    break;             }       }}

2. gethostbyaddr函数。

与上面的函数作用相反，从一个二进制的IPv4地址转换到相应的主机名。

#include     <netdb.h>struct hostent* gethostbyaddr(const char* addr, socklen_t len, int family);// len为4，family为AF_INET//返回：若成功返回非NULL指针，若出错返回NULL并设置h_errno

函数查询的是in_addr.arpa消息记录。

函数返回的是和gethostbyname返回一样的结构体，只是这里我们只关心结构体中的h_name。

 

三、getservbyname和getservbyport函数

上面提到我们可以用主机名来代替IP地址，下面我们可以使用服务名来代替端口号。

0. 像主机一样：可以使用主机名和IP地址来标识一台主机。

服务：可以使用服务名和端口号来标识一个服务。

一个服务可以支持多个协议(TCP,UDP,SCTP)，就像一个进程可以同时监听TCP套接字和UDP套接字一样。一般一个服务只有一个端口号如http的80

服务名和端口号的映射保存在一个文件(/etc/services)中。

这样即使端口号发生变动，我们只需要修改文件(/etc/services)即可。而不需要重新编译程序。

看一下/etc/services的内容：

# service-name port/protocol  [aliases ...]   [# comment]

tcpmux         1/tcp                           #TCP port service multiplexer

tcpmux         1/udp                           # TCPport service multiplexer

http           80/tcp          www www-http    # WorldWideWeb HTTP

http           80/udp          www www-http    # HyperText Transfer Protocol

http           80/sctp                         #HyperText Transfer Protocol

https          443/tcp                         #http protocol over TLS/SSL

https          443/udp                         #http protocol over TLS/SSL

https           443/sctp                        # http protocol overTLS/SSL

1. getservbyname函数

从服务名映射到端口号。

struct servent* getservbyname(const char* servname, const char* protoname);//返回：如果成功返回非空指针，如果失败返回NULL

此函数就是查找本地的/etc/services里面的内容，上面可知，/etc/services每一行有三个东西，service-name，port，protocol。所以本函数提供了两个参数来唯一标识端口号。

函数返回的结构体servent:

struct servent{       char* s_name;       char** s_aliases;       int port;       char* s_proto;};

这里我们只关系的是port，注意返回的是网络字节序的，所以给sockaddr_in赋值时，无需再去转换字节序。

这里函数的第二个参数可以是NULL，此时返回哪个端口号取决于实现，但一般无所谓，因为一个服务通常不同的协议，通常对应一个端口号。

如果指定protoname，则该协议必须支持。

ser=getservbyname("tcpmux","tcp");//okser=getservbyname("tcpmux","sctp");//error

2. getservbyport函数

从端口号到服务名的映射

struct servent* getservbyport(int port, const char* protoname);//返回：如果成功返回非空指针，如果失败返回NULL

注意这里的port参数必须是网络字节序的。

struct servent* ser;ser=getservbyport(htons(1),"tcp");//okser=getservbyport(htons(1),NULL);//okser=getservbyport(htons(1),"sctp");//error

 

之前的程序我们是用IP地址和端口号来标识一个目标主机上的进程的。到目前为止，我们就可以使用主机名和服务名来标识一个目标主机上的进程。

 

四、 我们把我们之前的获取时间客户端改为使用主机名和服务名来标识。

#include     "unp.h"#define MAXLINE 1024#define PORT 13void err_sys(const char* s){    fprintf(stderr, "%s\n", s);    exit(1);}int main(int argc, char** argv){    int sockfd,nbytes;    struct sockaddr_in servaddr;    char buff[MAXLINE+1];       char str[128];       struct hostent* hp;       struct in_addr** pptr;//注意这里是一维数组，每个元素指向一个结构体。       struct servent* ser;       if(argc!=3)//输入主机名和服务名        err_sys("input error");       hp=gethostbyname(argv[1]);       if(hp==NULL)       {             err_sys("wrong hostname");       }       pptr=(struct in_addr**)hp->h_addr_list;       if((ser=getservbyname(argv[2],"tcp")==NULL))             err_sys("wrong server name");       for(;*pptr!=NULL;pptr++)       {             if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0))<0)                    continue;             bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));             servaddr.sin_family=AF_INET;             servaddr.sin_port=ser->s_port;             memcpy(&servaddr.sin_addr,*pptr,sizeof(struct in_addr));             printf("trying %s\n",inet_ntop(AF_INET,(struct sockaddr*)&servaddr,str,sizeof(str)));             if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr))==0)                    break;//success             close(sockfd);       }       if(*pptr==NULL)             err_sys("unable to connect");       while(nbytes=read(sockfd,buff,MAXLINE)>0)       {             buff[nbytes]=0;             fputs(buff,stdout);       }    exit(0);}

这里我们从命令行输入参数：服务器主机名和服务名

我们调用gethostbyname来获得服务器IP地址列表，一个一个尝试连接。如果连接失败，要关闭套接字，然后重新socket，connect。不能直接重connect。

然后我们调用getservbyname来获得端口号，这里的端口号是众所周知的端口号，因为该函数是查看本机的/etc/services，来获知端口号的。而服务器主机也是利用这个众所周知的端口号服务名进行bind的。

 

五、getaddrinfo函数

因为gethostbyname和gethostbyaddr这两个函数只适用于IPv4地址。所以有了既支持IPv4和IPv6的函数getaddrinfo。

getaddrinfo函数能够处理IP地址和主机名的转换，而且还能同时处理端口号和服务名的映射。

#include     <netdb.h>int getaddrinfo(const char* hostname, const char* service, const struct addrinfo* hints, struct addrinfo **result);//返回：成功返回0，失败返回非0.

1. hostname为输入的主机名，service为输入服务名，hints为需要返回结果的提示信息，该信息会影响返回结果，可以是NULL。Result为函数返回的结果。

 

2. 说一下为何返回结果result前有两个*，该函数返回一个链表，*result指向链表的头结构，注意此时我们是让函数内部开辟内存空间，调用函数者只需提供一个指针，在函数内部修改这个指针本身，而不是要修改这个指针指向的东西。例如：

int main(){       char * s1, * s2;       getaddrinfo1(&s1);       getaddrinfo2(s2);}void getaddrinfo1(char** s){       *s=new char[];}void getaddrinfo2(char* s){       s=new char[];}

显然s1指向了一个内部的合理空间，而s2经过函数调用后，仍然属于野指针。

 

3. 这里看一下结构体addrinfo:

struct addrinfo{       int ai_flags;//AI_PASSIVE, AI_CANONNAME       int ai_family;//AF_XXX       int ai_socktype;//SOCK_XXX       int ai_protocol;//0 or IPPROTO_XXX       socklen_tai_addrlen;//length of ai_addr       char* ai_canonname;//ptr to canonical name for host       struct sockaddr* ai_addr;//ptr to socket address       struct addrinfo* ai_next;//ptr to next struct in linked list};

这里前4个成员是给hints参数设置的。后4个成员是result返回的结果。因为前4个成员的不同值会影响后4个成员的值。

1> ai_flags    一般的标识值为AI_PASSIVE和AI_CANONNAME

AI_PASSIVE：套接字将用于被动打开。

AI_CANONNAME：告知函数返回主机的规范名字。即ai_canonname

2> ai_family    即返回的是主机名对应的IPv4地址还是IPv6地址。

3> ai_socktype     即因为服务名可能对应多个协议，所以这里指定返回TCP还是UDP

4> ai_protocol     指定具体的协议，当ai_socktype不能唯一标识特定的协议时，就要用到此参数。即因为SCTP也属于流协议，其socktype也是SOCK_STREAM，所以如果某个服务支持TCP和SCTP，则我们就必须指明协议名。即：

IPPROTO_TCP或IPPROTO_UDP。

下面4个成员就不说了，很清楚。

 

4. 如果hints为NULL，则ai_flags，ai_socktype，ai_protocol的值均为0，ai_family的值为AF_UNSPEC。

 

5. 该函数返回是一个链表，为何？

当提供的主机名有多个IP地址时，每个IP都会返回一个对应的结构。

当未指明ai_socktype时，提供的服务名支持多个协议，则每个协议返回一个结构。

所以当主机名有2个IP地址，服务名支持tcp和udp，且未指明ai_socktype，则就会返回2*2=4个结构。

返回的链表的结构体的顺序是不固定。

 

6. 返回的结构体中的ai_addr可直接用于socket，connect函数调用。因为其IP地址都是二进制型的，且IP地址的类型为sockaddr，和协议无关的。且IP地址和端口号都是网络字节序的，所以无需任何转换函数。

 

7. 函数getaddrinfo的一些常见的输入

函数有六个可输入的参数值：hostname,，service，以及hints的前4个成员。

(1) 客户端

对于TCP和UDP客户端而言，我们使用该函数，用来创建连接，连接服务器的。所以我们需要指定hostname和service的值，而至于hints的4个成员，如果确认知道自己处理的是哪一类型套接字，应该指定ai_socktype或和ai_protocol。一般ai_flags为AI_PASSIVE。而一般不指定ai_family，因为主机有可能用于IPv4和IPv6地址，我们需要一个一个尝试socket->connect。

(2) 服务器端

对于服务器，我们使用该函数，只是用来指定端口号的。所以我们一般不指定主机名，只指定service。而主机名为空，则返回的套接字地址中的IP地址为通配地址，也正是我们想要的。

注意如果不指定ai_family或指定为AF_UNSPEC，这时至少返回两个结构，一个包含Ipv4的通配地址INADDR_ANY，另一个包含IPv6的通配地址IN6ADDR_ANY_INIT。这时我们可以使用select来监听这两个套接字。

对于hints的前4个成员，我们指定ai_flags为AI_PASSIVE。且应该指定套接字的类型，以防止返回多个结构。

注意：因为我们后续需要调用accept函数来获得套接字，我们就需要先new一个套接字结构，这个套接字结构的大小如何确定？

函数返回的链表中，addrinfo的每个结构体中都会有其套接字结构的大小ai_addrlen。所以我们根据这个值可以确认套接字的大小。

 

8. 可以说，getaddrinfo函数功能很强大，但使用起来也很复杂。

 

六、gai_strerror函数

上文提到，getaddrinfo函数，成功返回0，失败返回非0的整数.

而gai_strerror函数就是用来解释失败的错误整数的。

const char* gai_strerror(int error);典型的使用方法：int ret=getaddrinfo(...);if(ret!=0){       err_sys("%s\n",gai_strerror(ret));} 

七、freeaddrinfo函数

函数getaddrinfo函数返回一个结构体链表，其所有的存储空间都是动态获取的，如new或malloc。所以我们用完之后要释放这些内存。就是调用freeaddrinfo来释放的。

void freeaddrinfo(struct addrinfo* ai); //典型的用法：struct addrinfo* result;intret=getaddrinfo(...,&result);freeaddrinfo(result);

这样就可以释放返回的整个链表。

但是这有个问题，比如我们通过遍历找到了我们所需的结构，然后把这个结构体复制出来，然后调用该函数释放所有内存。

但是：如果只复制这个结构体本身的话，是有问题的，因为这个结构体内有指针(套接字结构指针和规范名字指针)，复制的时候切记把这些指针指向的空间也要复制。不然只复制指针的话，则freeaddrinfo会释放掉所有内存，这样我们复制出来的这个结构体的指针指向的是已释放的内存，这样很危险。

所以复制结构体时，切记需要深度复制。

 

八、 一些实际的例子

1. 对于TCP客户端：

提供确认的主机名和服务名，然后对于服务器的每个IP地址，进行：

while(){socket->connect}

2. 对于TCP服务器端：

一般不提供主机名，而是提供服务名，然后对于本地的每个类型的通配地址以及服务名，进行：

while(){socket->bind}accept()…

如果bind成功，则跳出循环。有点问题，这样只能绑定一个IP地址：或为IPv4的通配地址，或为IPv6的通配地址。

 

九、getnameinfo函数

该函数为getaddrinfo的互补函数，即提供套接字地址，返回主机名和服务名。

<pre name="code" class="cpp">int getnameinfo(const structsockaddr* addr, socklen_t addrlen, char*hostname, socklen_t hostlen, char* serv,socklen_t servlen, int flags);//返回：成功返回0，失败返回非0

各个参数都很明显，只有最后一个flag，其用于指示一些东西。比如：

NI_DGRAM：指示返回的服务是基于UDP的，因为有可能端口号相同的不同协议对应的是不同的服务。

其他的一些标志值：

注意：这里可以把标记值进行或，然后这样就可以同时设置两个标志值。

注意：getnameinfo和getaddrinfo都是设计DNS的，而一般服务器是不使用getnameinfo函数的，直接用IP地址来标识就可以了，因为getnameinfo设计DNS，其是很耗时的。

 

十、 可重入函数

1. 我们先来看看gethostbyname和gethostbyaddr的代码：

static structhostent host;struct hostent* gethostbyname(const char* hostname){       /*.....*/       return (&host);}struct hostent* gethostbyaddr(const char* addr,socklen_t len, int family){       /*.....*/       return (&host);}

可以看到函数返回的都是一个static的对象。问题就在这上面。

假如我们在一个主程序中调用gethostbyname函数，且在信号处理函数中也调用gethostbyname，看看会发生什么：

main(){       struct hostent* hp;       ...       signal(SIGALRAM,sig_alrm);       ...       hp=gethostbyname(...);}void sig_alrm(intsigno){       struct hostent* hp1;       hp1=gethostbyname(...);}

假如此时主程序中执行到函数gethostbyname期间，而且函数已经处理好static的host对象了，准备返回了，此时来了个信号，则主程序中断，去处理这个信号，而在信号处理函数中重新调用了gethostbyname，那么该host对象将被重用，因为此时只有一个进程，只保留一个副本，这么一来，原先由主程序计算出的值被重写成了信号处理函数调用计算出的值。则这样就会产生错误。

这样就是不可重入函数。

 

2. 看看以前的函数可重入性：

1> gethostbyname、gethostbyaddr、getservbyname、getservbyport都是不可重入函数

2> inet_pton、inet_ntop都是可重入的。

3> getaddrinfo可重入的前提是调用的函数都是可重入的，比如函数内调用的是gethostbyname可重入版本，getservbyname的可重入版本。

4> getnameinfo可重入的前提是调用的函数都是可重入的，比如函数内调用的是gethostbyaddr可重入版本，getservbyport的可重入版本。

 

3. errno变量也有类似的问题。

首先，每个进程有一个errno的副本。而在同一个进程中，例如如下代码：

if(close(fd)<0){       fprintf(stderr,"close error, errno= %s\n", errno);}

如果此时close函数产生错误，则内核设置errno，当程序调用结束close时，还未来得及执行输出时，此时信号来了，信号处理函数中也产生了错误，则errno被重置，则返回到主程序时，就有问题了。

 

4. 解决可重入性问题的一个方法：就是在信号处理函数中永远不要调用不可重入函数，且可把errno先进行保存，然后在函数最后还原回来。如：

void sig_handler(int signo){       int errno_save=errno;       /*...other code*/       errno=errno_save;}

还有在信号处理函数中，不要调用标准I/O函数，如fprintf等。因为很多版本实现的标准I/O函数都是不可重入的。

 

5. gethostbyname_r和gethostbyaddr_r函数

首先，把不可重入函数改为可重入函数有两种方法：

1> 不可重入函数的问题在于返回一个全局static对象。而我们可以由调用者动态开辟一个对象空间，然后交由函数进行修改。如gethostbyname，我们可以让调用者先动态开辟一个hostent对象，然后让该函数来进行处理。

gethostbyname_r和gethostbyaddr_r函数就是这么做的。

但引入的问题：

调用者不仅需要new一个hostent对象，还要提供hostent对象中的指针指向的空间。

struct hostent* gethostbyname_r(const char* hostname,struct hosten* result, char*buf, int buflen, int*h_errnop);

其中result就是交由函数修改的对象。而buf就是这个对象中的指针指向的一块内存空间。错误码为h_errnop，而不是全局变量h_errno

这里很难确认这个buf的大小。不好用。

 

2> 我们可以让不可重入函数本身new一个对象，最后返回。而不是返回一个全局static对象。getaddrinfo函数就是这么做的。

引入的问题：该函数内部分配的空间，必须需要调用者显示释放掉，即调用函数freeaddrinfo。否则造成内存泄漏。

 

十一、 其他网络信息

我们上面提到了gethostby…、getservby…。

网络信息包含：主机，服务，网络，协议。因为我们有:

其中主机和网络是通过DNS来获取的。

协议和服务是通过查询本地主机的文件来获取的。