编程实战：如何在程序中解析域名

网络

由于域名比 IP 地址更便于记忆，我们通常使用它来访问网络服务。网络应用客户端想要跟服务端通信，必须先向 DNS 服务器查询域名对应的 IP 地址。

举个例子，读者访问我的网站 fasionchan.com 时，浏览器需要先根据域名查询网站的 IP 地址，再和网站的 Web 服务器进行通信。

那么，如何通过编程实现域名查询呢？这是开发网络应用无法回避的问题。

我们知道，DNS 服务器和客户端之间使用 DNS 协议进行通信：客户端先向服务器发送 请求报文 ，服务器将查询结果封装成 应答报文 ，回复客户端。DNS 可以使用 UDP 或 TCP 作为传输层协议，通信端口号为 53 。

假设客户端使用 UDP 协议，一次域名查询的步骤大致如下：

  1. 创建一个 UDP 套接字；
  2. 封装 DNS 请求报文，待查询域名位于问题节；
  3. 通过 UDP 套接字，将请求报文发给 DNS 服务器（服务端端口一般是 53 ）；
  4. 等待服务端响应，并从 UDP 套接字读取应答报文；
  5. 解析应答报文，获得查询结果；
  6. 关闭 UDP 套接字；

如果每个网络应用都需要自行封装 DNS 报文实现域名查询，未免太麻烦了！为此，C库提供了一系列工具函数。应用程序只需调用这些工具函数，即可完成域名查询，不用自己操作套接字，或者封装 DNS 报文。

示例程序

这个程序调用 C 库函数 gethostbyname ，将用户在命令行参数中指定的域名查询出来：

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#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "bad arguments");
        return -1;
    }

    char *name = argv[1];
    printf("resolve domain name: %s\n", name);

    struct hostent *result = gethostbyname(name);
    if (result == NULL) {
        if (h_errno == HOST_NOT_FOUND) {
            fprintf(stderr, "Hostname not found!\n");
        }

        if (h_errno == NO_DATA) {
            fprintf(stderr, "No such record\n");
        }

        if (h_errno == NO_RECOVERY) {
            fprintf(stderr, "\n");
        }

        if (h_errno == TRY_AGAIN) {
            fprintf(stderr, "Temporary error occurred, please try again!\n");
        }

        return -1;
    }

    int i = 0;
    while (result->h_addr_list[i] != NULL) {
        printf("IP: %s\n", inet_ntoa(*(struct in_addr *)result->h_addr_list[i]));
        i++;
    }

    return 0;
}

顾名思义，gethostbyname 根据域名查询主机的地址，结果一般是 IP 地址或者 IPv6 地址。

请看程序第 14 行，以待查询域名为参数调用 gethostbyname 函数；它返回一个 hostent 结构体指针，结构体中保存着域名查询结果。

第 15-33 行，检查域名解析结果，空表示出错；出错时根据 h_errno 的值，分情况处理（详情请见后文）。

第 35-39 行，从 hostent 结构体中取出查询结果，并打印到屏幕上。

那么， gethostbyname 库函数内部都做了些什么呢？答案其实不难猜到。它会帮我们创建 UDP 套接字、发送 DNS 请求报文、接收并解析应答报文。以这个程序为例，它的执行流（蓝线）大致如下：

域名查询库函数

实际上，C 库提供了一系列工具函数，用于域名查询：

  • gethostbyname ，查询指定域名，查询结果保存在 hostent 结构体中，指针被返回给调用者；
  • gethostbyname_r ，同上，为线程安全版本，可在多线程环境中使用；
  • gethostbyname2 ，同一，但支持通过 af 参数指定查询地址类型；
  • gethostbyname2_r ，同三，为线程安全版本，可在多线程环境中使用；

以 gethostbyname 为例，如果查询成功，它将返回一个 hostent 结构体指针，结构体保存着查询结果。如果查询出错，它将返回 NULL ，并将错误保存 h_errno 全局变量。一般而言，域名查询出错，可以分为这几种情况：

  • HOST_NOT_FOUND ，表示指定主机不存在，即域名不存在；
  • NO_DATA ，表示域名存在其他记录，但没有地址相关记录（ A 或者 AAAA ）；
  • NO_RECOVERY ，域名服务器出现不可恢复错误；
  • TRY_AGAIN ，临时出错，可通过重试恢复；

当域名查询失败时，调用者必须检查 h_errno 变量，分情况进行处理。

局限性

在网络爬虫、Socks5 代理等应用场景，域名查询非常频繁。这时直接使用 gethostbyname 系列库函数，很有可能会面临性能瓶颈。

一方面，gethostbyname 库函数每次查询域名时，都要创建一个 UDP 套接字来跟 DNS 服务器通信。这意味着，频繁的域名查询背后，必然伴随着大量套接字的创建和销毁，开销可想而知！

另一方面，gethostbyname 库函数将一直阻塞，直到 DNS 服务器返回结果或者查询超时。这将严重制约系统的并发处理能力。

因此，在高频查询场景，不能直接使用 gethostbyname 等库函数，必须采用一些经过优化的异步域名解析库。

扩展阅读

【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】，敬请关注：

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fasionchan 2021-05-05