UNP-UNIX网络编程 第十一章：名字与地址转换

(一) 域名系统(DNS)

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。

1.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。
ljm IN A 127.0.0.1
IN AAAA 3ffe: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

2. 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。前者把主机名映射为IPv4地址，后者相反。
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> 结构体hostent：

struct hostent
{  
 char* h_name;      //规范名字，也可以理解为全限定域名。  
 char** h_aliases;  //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。  
 int h_addrtype;    //地址族：AF_INET  
 int h_length;      //地址长度：4  
 char** h_addr_list;//IPv4地址  
}; 

1>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。

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)  
            {//给每个命令行参数调用gethostbyname()  
                printf("error for host : %s : %s\n", ptr,hstrerror(h_errno));  
                continue;  
            }  
            printf("host name : %s\n",ptr); //输出 host name
            for(pptr=hptr->h_aliases;*pptr!=NULL;pptr++)  
                 printf("aliases: %s\n",*pptr); //输出 aliases
            switch(hptr->h_addrtype)  
            {//pptr指向一个指针数组。每个指针指向一个地址，对每个地址调用inet_ntop并输出返回的字符串  
            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：vim /etc/services

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;  //服务名
    char** s_aliases; //别名 
    int    port;  //端口名
    char*  s_proto; //protocol 
};  

这里我们只关心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");//ok  
ser=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");//ok  
    ser=getservbyport(htons(1),NULL);//ok  
    ser=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。现在，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。

names/daynametcpcli1.c

#include    "unp.h"

int
main(int argc, char **argv)
{
    int                 sockfd, n;
    char                recvline[MAXLINE + 1];
    struct sockaddr_in  servaddr;
    struct in_addr      **pptr;
    struct in_addr      *inetaddrp[2];
    struct in_addr      inetaddr;
    struct hostent      *hp;
    struct servent      *sp;

    if (argc != 3)
        err_quit("usage: daytimetcpcli1 <hostname> <service>");

    if ( (hp = gethostbyname(argv[1])) == NULL) {
        if (inet_aton(argv[1], &inetaddr) == 0) {
            err_quit("hostname error for %s: %s", argv[1], hstrerror(h_errno));
        } else {
            inetaddrp[0] = &inetaddr;
            inetaddrp[1] = NULL;
            pptr = inetaddrp;
        }
    } else {
        pptr = (struct in_addr **) hp->h_addr_list;
    }
    if ( (sp = getservbyname(argv[2], "tcp")) == NULL)
        err_quit("getservbyname error for %s", argv[2]);
/*---------------------------------------------------------------*/
    for ( ; *pptr != NULL; pptr++) 
    {
        sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_port = sp->s_port;
        memcpy(&servaddr.sin_addr, *pptr, sizeof(struct in_addr));
        printf("trying %s\n",
               Sock_ntop((SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)));
/*---------------------------------------------------------------*/
        if (connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) == 0)
            break;      /* success */
        err_ret("connect error");
        close(sockfd);
    }
/*---------------------------------------------------------------*/
    if (*pptr == NULL)
        err_quit("unable to connect");
/*---------------------------------------------------------------*/
    while ( (n = Read(sockfd, recvline, MAXLINE)) > 0) {
        recvline[n] = 0;    /* null terminate */
        Fputs(recvline, 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:名->号

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。

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。

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。

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

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 可以说，getaddrinfo函数功能很强大，但使用起来也很复杂。. 如果hints为NULL，则ai_flags，ai_socktype，ai_protocol的值均为0，ai_family的值为AF_UNSPEC。

(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。

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：p267
注意1：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2：getaddrinfo和getnameinfo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 hostent 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（返回的是static的结构指针）
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。

(十一)gethostbyname_r和gethostbyaddr_r函数（可重入版本）

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。

(十二) 其他网络相关信息

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:p273
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。