一、 域名系統(DNS)

1. 簡介

DNS主要用于主機名和IP地址之間的映射。

主機名可以是簡單的名字ljm，也可以是全限定域名ljm.localdomainbaidu.com等。

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2.資源記錄

DNS中的條目稱為資源記錄(RR)。我們感興趣的RR類型只有幾個：

A???????????? A記錄把一個主機名映射為一個32位的IPv4地址。

AAAA??? 4A記錄把一個主機名映射為一個128位的IPv6地址。

例如：

ljm???????????????IN????? A??? 127.0.0.1

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

PTR??????? 稱為指針記錄。把IP地址映射為主機名。對IPv4地址，32位的4個字節先反轉順序，再添加in-addr.arpa。對于IPv6地址，128位地址每四位組先反轉，再添加ip6.arpa。

例如上面主機ljm的兩個PTR記錄為：

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

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3. 解析器和名字服務器

1> 名字服務器。

每個組織機構都會有一個名字服務器(有時也叫DNS服務器)。它們保存著主機名和IP地址之間的映射的資源記錄。

2> 解析器

客戶端和服務器端等應用程序通過解析器的函數來對主機名或IP地址進行解析。

典型的解析器函數為gethostbyname和gethostbyaddr。

3> 具體過程

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當我們需要解析某個主機名或IP地址時，我們在代碼中調用解析器函數，則解析器函數就會根據解析器配置文件(/etc/resolv.conf)中的本地名字服務器的IP地址，去發出UDP查詢，如果找不到，則會在整個因特網上查詢其他名字服務器。如果答案太長，則本地解析器會自動切換到TCP。

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二、gethostbyname和gethostbyaddr函數

1. gethostbyname函數

從主機名到IPv4地址的映射。

該函數執行的只是查詢A記錄，所以即使主機有IPv6地址，也不會返回。

#include <netdb.h> struct hostent* gethostbyname(const char* hostname); //返回：若成功返回非NULL指針，若出錯返回NULL并設置h_errno

1> 我們來看看結構體hostent：

struct hostent{char* h_name; //規范名字char** h_aliases; //主機別名int h_addrtype; //地址族：AF_INETint h_length; //地址長度：4char** h_addr_list;//IPv4地址 };

規范名字，也可以理解為全限定域名。

主機別名，一個主機可能有多個主機別名，所以這里是二維char數組。

地址族和地址長度，由于這里只能是IPv4的地址映射，所以這兩個值不會改變，既然不會改變，為何需要這兩個參數？感覺有點多余。

h_addr_list，主機可能會有多個IP地址，所以這里是二維數組。這里的IP地址顯然是二進制型的，如要輸出也需轉換表達式型。注意這里是char型的二維數組。為何不是in_addr結構的一維數組？不得而知。

2> 當gethostbyname返回錯誤時：

這里當函數發送錯誤時，不是設置errno，而是設置h_errno。一般我們使用函數hstrerror來解析這個h_errno錯誤值。

const char* hstrerror(int h_errno);

3> 我們來寫一個例子程序，輸入任意多個主機名，輸出每個主機名對應的規范名字，別名，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函數。

與上面的函數作用相反，從一個二進制的IPv4地址轉換到相應的主機名。

#include <netdb.h> struct hostent* gethostbyaddr(const char* addr, socklen_t len, int family);// len為4，family為AF_INET //返回：若成功返回非NULL指針，若出錯返回NULL并設置h_errno

函數查詢的是in_addr.arpa消息記錄。

函數返回的是和gethostbyname返回一樣的結構體，只是這里我們只關心結構體中的h_name。

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三、getservbyname和getservbyport函數

上面提到我們可以用主機名來代替IP地址，下面我們可以使用服務名來代替端口號。

0. 像主機一樣：可以使用主機名和IP地址來標識一臺主機。

服務：可以使用服務名和端口號來標識一個服務。

一個服務可以支持多個協議(TCP,UDP,SCTP)，就像一個進程可以同時監聽TCP套接字和UDP套接字一樣。一般一個服務只有一個端口號如http的80

服務名和端口號的映射保存在一個文件(/etc/services)中。

這樣即使端口號發生變動，我們只需要修改文件(/etc/services)即可。而不需要重新編譯程序。

看一下/etc/services的內容：

# 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函數

從服務名映射到端口號。

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

此函數就是查找本地的/etc/services里面的內容，上面可知，/etc/services每一行有三個東西，service-name，port，protocol。所以本函數提供了兩個參數來唯一標識端口號。

函數返回的結構體servent:

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

這里我們只關系的是port，注意返回的是網絡字節序的，所以給sockaddr_in賦值時，無需再去轉換字節序。

這里函數的第二個參數可以是NULL，此時返回哪個端口號取決于實現，但一般無所謂，因為一個服務通常不同的協議，通常對應一個端口號。

如果指定protoname，則該協議必須支持。

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

2. getservbyport函數

從端口號到服務名的映射

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

注意這里的port參數必須是網絡字節序的。

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

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之前的程序我們是用IP地址和端口號來標識一個目標主機上的進程的。到目前為止，我們就可以使用主機名和服務名來標識一個目標主機上的進程。

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四、 我們把我們之前的獲取時間客戶端改為使用主機名和服務名來標識。

#include "unp.h" #define MAXLINE 1024 #define PORT 13 void 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;//注意這里是一維數組，每個元素指向一個結構體。struct servent* ser;if(argc!=3)//輸入主機名和服務名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;//successclose(sockfd);}if(*pptr==NULL)err_sys("unable to connect");while(nbytes=read(sockfd,buff,MAXLINE)>0){buff[nbytes]=0;fputs(buff,stdout);}exit(0); }

這里我們從命令行輸入參數：服務器主機名和服務名

我們調用gethostbyname來獲得服務器IP地址列表，一個一個嘗試連接。如果連接失敗，要關閉套接字，然后重新socket，connect。不能直接重connect。

然后我們調用getservbyname來獲得端口號，這里的端口號是眾所周知的端口號，因為該函數是查看本機的/etc/services，來獲知端口號的。而服務器主機也是利用這個眾所周知的端口號服務名進行bind的。

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五、getaddrinfo函數

因為gethostbyname和gethostbyaddr這兩個函數只適用于IPv4地址。所以有了既支持IPv4和IPv6的函數getaddrinfo。

getaddrinfo函數能夠處理IP地址和主機名的轉換，而且還能同時處理端口號和服務名的映射。

#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，失敗返回非0.

1. hostname為輸入的主機名，service為輸入服務名，hints為需要返回結果的提示信息，該信息會影響返回結果，可以是NULL。Result為函數返回的結果。

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2. 說一下為何返回結果result前有兩個*，該函數返回一個鏈表，*result指向鏈表的頭結構，注意此時我們是讓函數內部開辟內存空間，調用函數者只需提供一個指針，在函數內部修改這個指針本身，而不是要修改這個指針指向的東西。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[]; }

顯然s1指向了一個內部的合理空間，而s2經過函數調用后，仍然屬于野指針。

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3. 這里看一下結構體addrinfo:

struct addrinfo{int ai_flags;//AI_PASSIVE, AI_CANONNAMEint ai_family;//AF_XXXint ai_socktype;//SOCK_XXXint ai_protocol;//0 or IPPROTO_XXXsocklen_tai_addrlen;//length of ai_addrchar* ai_canonname;//ptr to canonical name for hoststruct sockaddr* ai_addr;//ptr to socket addressstruct addrinfo* ai_next;//ptr to next struct in linked list };

這里前4個成員是給hints參數設置的。后4個成員是result返回的結果。因為前4個成員的不同值會影響后4個成員的值。

1> ai_flags??? 一般的標識值為AI_PASSIVE和AI_CANONNAME

AI_PASSIVE：套接字將用于被動打開。

AI_CANONNAME：告知函數返回主機的規范名字。即ai_canonname

2> ai_family??? 即返回的是主機名對應的IPv4地址還是IPv6地址。

3> ai_socktype???? 即因為服務名可能對應多個協議，所以這里指定返回TCP還是UDP

4> ai_protocol???? 指定具體的協議，當ai_socktype不能唯一標識特定的協議時，就要用到此參數。即因為SCTP也屬于流協議，其socktype也是SOCK_STREAM，所以如果某個服務支持TCP和SCTP，則我們就必須指明協議名。即：

IPPROTO_TCP或IPPROTO_UDP。

下面4個成員就不說了，很清楚。

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4. 如果hints為NULL，則ai_flags，ai_socktype，ai_protocol的值均為0，ai_family的值為AF_UNSPEC。

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5. 該函數返回是一個鏈表，為何？

當提供的主機名有多個IP地址時，每個IP都會返回一個對應的結構。

當未指明ai_socktype時，提供的服務名支持多個協議，則每個協議返回一個結構。

所以當主機名有2個IP地址，服務名支持tcp和udp，且未指明ai_socktype，則就會返回2*2=4個結構。

返回的鏈表的結構體的順序是不固定。

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6. 返回的結構體中的ai_addr可直接用于socket，connect函數調用。因為其IP地址都是二進制型的，且IP地址的類型為sockaddr，和協議無關的。且IP地址和端口號都是網絡字節序的，所以無需任何轉換函數。

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7. 函數getaddrinfo的一些常見的輸入

函數有六個可輸入的參數值：hostname,，service，以及hints的前4個成員。

(1) 客戶端

對于TCP和UDP客戶端而言，我們使用該函數，用來創建連接，連接服務器的。所以我們需要指定hostname和service的值，而至于hints的4個成員，如果確認知道自己處理的是哪一類型套接字，應該指定ai_socktype或和ai_protocol。一般ai_flags為AI_PASSIVE。而一般不指定ai_family，因為主機有可能用于IPv4和IPv6地址，我們需要一個一個嘗試socket->connect。

(2) 服務器端

對于服務器，我們使用該函數，只是用來指定端口號的。所以我們一般不指定主機名，只指定service。而主機名為空，則返回的套接字地址中的IP地址為通配地址，也正是我們想要的。

注意如果不指定ai_family或指定為AF_UNSPEC，這時至少返回兩個結構，一個包含Ipv4的通配地址INADDR_ANY，另一個包含IPv6的通配地址IN6ADDR_ANY_INIT。這時我們可以使用select來監聽這兩個套接字。

對于hints的前4個成員，我們指定ai_flags為AI_PASSIVE。且應該指定套接字的類型，以防止返回多個結構。

注意：因為我們后續需要調用accept函數來獲得套接字，我們就需要先new一個套接字結構，這個套接字結構的大小如何確定？

函數返回的鏈表中，addrinfo的每個結構體中都會有其套接字結構的大小ai_addrlen。所以我們根據這個值可以確認套接字的大小。

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8. 可以說，getaddrinfo函數功能很強大，但使用起來也很復雜。

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六、gai_strerror函數

上文提到，getaddrinfo函數，成功返回0，失敗返回非0的整數.

而gai_strerror函數就是用來解釋失敗的錯誤整數的。

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函數

函數getaddrinfo函數返回一個結構體鏈表，其所有的存儲空間都是動態獲取的，如new或malloc。所以我們用完之后要釋放這些內存。就是調用freeaddrinfo來釋放的。

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

這樣就可以釋放返回的整個鏈表。

但是這有個問題，比如我們通過遍歷找到了我們所需的結構，然后把這個結構體復制出來，然后調用該函數釋放所有內存。

但是：如果只復制這個結構體本身的話，是有問題的，因為這個結構體內有指針(套接字結構指針和規范名字指針)，復制的時候切記把這些指針指向的空間也要復制。不然只復制指針的話，則freeaddrinfo會釋放掉所有內存，這樣我們復制出來的這個結構體的指針指向的是已釋放的內存，這樣很危險。

所以復制結構體時，切記需要深度復制。

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八、 一些實際的例子

1. 對于TCP客戶端：

提供確認的主機名和服務名，然后對于服務器的每個IP地址，進行：

while(){ socket->connect }

2. 對于TCP服務器端：

一般不提供主機名，而是提供服務名，然后對于本地的每個類型的通配地址以及服務名，進行：

while(){ socket->bind } accept() …

如果bind成功，則跳出循環。有點問題，這樣只能綁定一個IP地址：或為IPv4的通配地址，或為IPv6的通配地址。

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九、getnameinfo函數

該函數為getaddrinfo的互補函數，即提供套接字地址，返回主機名和服務名。

<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，失敗返回非0

各個參數都很明顯，只有最后一個flag，其用于指示一些東西。比如：

NI_DGRAM：指示返回的服務是基于UDP的，因為有可能端口號相同的不同協議對應的是不同的服務。

其他的一些標志值：

注意：這里可以把標記值進行或，然后這樣就可以同時設置兩個標志值。

注意：getnameinfo和getaddrinfo都是設計DNS的，而一般服務器是不使用getnameinfo函數的，直接用IP地址來標識就可以了，因為getnameinfo設計DNS，其是很耗時的。

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十、 可重入函數

1. 我們先來看看gethostbyname和gethostbyaddr的代碼：

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

可以看到函數返回的都是一個static的對象。問題就在這上面。

假如我們在一個主程序中調用gethostbyname函數，且在信號處理函數中也調用gethostbyname，看看會發生什么：

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

假如此時主程序中執行到函數gethostbyname期間，而且函數已經處理好static的host對象了，準備返回了，此時來了個信號，則主程序中斷，去處理這個信號，而在信號處理函數中重新調用了gethostbyname，那么該host對象將被重用，因為此時只有一個進程，只保留一個副本，這么一來，原先由主程序計算出的值被重寫成了信號處理函數調用計算出的值。則這樣就會產生錯誤。

這樣就是不可重入函數。

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2. 看看以前的函數可重入性：

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

2> inet_pton、inet_ntop都是可重入的。

3> getaddrinfo可重入的前提是調用的函數都是可重入的，比如函數內調用的是gethostbyname可重入版本，getservbyname的可重入版本。

4> getnameinfo可重入的前提是調用的函數都是可重入的，比如函數內調用的是gethostbyaddr可重入版本，getservbyport的可重入版本。

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3. errno變量也有類似的問題。

首先，每個進程有一個errno的副本。而在同一個進程中，例如如下代碼：

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

如果此時close函數產生錯誤，則內核設置errno，當程序調用結束close時，還未來得及執行輸出時，此時信號來了，信號處理函數中也產生了錯誤，則errno被重置，則返回到主程序時，就有問題了。

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4. 解決可重入性問題的一個方法：就是在信號處理函數中永遠不要調用不可重入函數，且可把errno先進行保存，然后在函數最后還原回來。如：

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

還有在信號處理函數中，不要調用標準I/O函數，如fprintf等。因為很多版本實現的標準I/O函數都是不可重入的。

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5. gethostbyname_r和gethostbyaddr_r函數

首先，把不可重入函數改為可重入函數有兩種方法：

1> 不可重入函數的問題在于返回一個全局static對象。而我們可以由調用者動態開辟一個對象空間，然后交由函數進行修改。如gethostbyname，我們可以讓調用者先動態開辟一個hostent對象，然后讓該函數來進行處理。

gethostbyname_r和gethostbyaddr_r函數就是這么做的。

但引入的問題：

調用者不僅需要new一個hostent對象，還要提供hostent對象中的指針指向的空間。

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

其中result就是交由函數修改的對象。而buf就是這個對象中的指針指向的一塊內存空間。錯誤碼為h_errnop，而不是全局變量h_errno

這里很難確認這個buf的大小。不好用。

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2> 我們可以讓不可重入函數本身new一個對象，最后返回。而不是返回一個全局static對象。getaddrinfo函數就是這么做的。

引入的問題：該函數內部分配的空間，必須需要調用者顯示釋放掉，即調用函數freeaddrinfo。否則造成內存泄漏。

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十一、 其他網絡信息

我們上面提到了gethostby…、getservby…。

網絡信息包含：主機，服務，網絡，協議。因為我們有:

其中主機和網絡是通過DNS來獲取的。

協議和服務是通過查詢本地主機的文件來獲取的。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Unix网络编程学习笔记之第11章 名字与地址转换的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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