域名及网络地址#

8.1 域名系统#

什么是域名#

网络中的服务器仍然通过 $IP$ 地址区分，但相比于一串难以记忆的数字，人们更习惯使用容易记忆和表达的名称，因此出现了域名（ $Domain\ Name$ ）。

域名并不是服务器真正的网络地址，而是分配给服务器的虚拟地址。程序最终仍要通过 $IP$ 地址建立连接，所以访问服务器前还需要把域名转换为对应的 $IP$ 地址。负责这个转换过程的系统就是 $DNS$ （ $Domain\ Name\ System$ ，域名系统）。

DNS服务器#

每台联网计算机一般都会配置默认 $DNS$ 服务器。我们在浏览器中输入域名后，浏览器会先向默认 $DNS$ 服务器查询对应的 $IP$ 地址，得到结果后再连接目标服务器。

一台 $DNS$ 服务器不可能保存互联网上的全部域名信息。当默认 $DNS$ 服务器无法解析某个域名时，它会向上级 $DNS$ 服务器继续询问；请求逐级到达根 $DNS$ 服务器后，再被引导到掌握目标域名信息的服务器。解析出的 $IP$ 地址沿原路径返回，最终交给发起查询的主机。

因此， $DNS$ 并不是一张集中保存在某台服务器上的表，而是一个具有层次结构的分布式数据库系统。域名信息由不同层级的 $DNS$ 服务器共同管理。

8.2 IP地址和域名之间的转换#

程序中使用域名的必要性#

如果直接把服务器 $IP$ 地址写入客户端，一旦服务器更换 $IP$ ，已经安装的程序也要跟着修改。相比之下，服务器的域名通常不会轻易改变。程序可以在每次运行时根据域名查询当前 $IP$ 地址，再连接服务器，这样就不会依赖某个固定的 $IP$ 。

利用域名获取IP地址#

$Linux$ 中可以通过 $gethostbyname$ 查询域名对应的地址信息：

1
#include <netdb.h>
2

3
struct hostent *gethostbyname(const char *hostname);
4
//成功时返回hostent结构体地址，失败时返回NULL。

返回的 $hostent$ 结构体不仅保存 $IP$ 地址，还包含官方域名、别名和地址族等信息：

1
struct hostent
2
{
3
    char  *h_name;          //官方域名
4
    char **h_aliases;       //域名别名列表
5
    int    h_addrtype;      //地址族
6
    int    h_length;        //地址长度
7
    char **h_addr_list;     //IP地址列表
8
};

各成员含义如下：

$h\_name$ 保存官方域名。
$h\_aliases$ 保存指向其他域名的指针列表，同一个服务器可以拥有多个域名。
$h\_addrtype$ 保存地址族， $IPv4$ 一般为 $AF\_INET$ 。
$h\_length$ 保存地址长度， $IPv4$ 为 $4$ 字节， $IPv6$ 为 $16$ 字节。
$h\_addr\_list$ 保存域名对应的地址列表。同一域名可能对应多个服务器 $IP$ ，所以这里是一个列表。

$h\_addr\_list$ 虽然被声明为 $char$ 指针数组，但对于 $IPv4$ 而言，各元素实际指向 $in\_addr$ 结构体。输出点分十进制地址时，需要先进行类型转换，再调用 $inet\_ntoa$ ：

1
struct hostent *host = gethostbyname(argv[1]);
2

3
for (i = 0; host->h_addr_list[i]; i++)
4
{
5
    printf("IP addr %d: %s\n", i + 1,
6
           inet_ntoa(*(struct in_addr *)host->h_addr_list[i]));
7
}

使用 $char$ 指针主要是为了兼容不同长度的地址类型。早期定义这些函数时还没有广泛使用 $void$ 指针，因此采用了这种形式。

利用IP地址获取域名#

与 $gethostbyname$ 相反， $gethostbyaddr$ 可以根据 $IP$ 地址查询域名信息：

1
#include <netdb.h>
2

3
struct hostent *gethostbyaddr(const char *addr,
4
                              socklen_t len, int family);
5
//成功时返回hostent结构体地址，失败时返回NULL。

$addr$ 指向需要查询的地址， $len$ 是地址长度， $family$ 表示地址族。查询 $IPv4$ 地址时，可以这样调用：

1
struct sockaddr_in addr;
2
struct hostent *host;
3

4
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
5
host = gethostbyaddr((char *)&addr.sin_addr, 4, AF_INET);

该函数同样返回 $hostent$ 结构体，所以解析官方域名、别名和地址列表的方式与 $gethostbyname$ 相同。

8.3 基于Windows的实现#

$Windows$ 同样提供 $gethostbyname$ 和 $gethostbyaddr$ ，函数名、参数和返回类型与 $Linux$ 版本基本一致：

1
#include <winsock2.h>
2

3
struct hostent *gethostbyname(const char *name);
4

5
struct hostent *gethostbyaddr(const char *addr,
6
                              int len, int type);

主要区别仍是 $Windows$ 套接字程序需要先调用 $WSAStartup$ 初始化 $Winsock$ ，结束前调用 $WSACleanup$ 。取得 $hostent$ 后，读取其中地址信息的逻辑无需改变。

套接字的多种可选项#

9.1 套接字可选项和I/O缓冲大小#

创建套接字后，即使不做其他设置也能正常通信，因为操作系统已经为它配置了默认特性。但在部分场景下，我们需要查看或调整这些特性，这些可以修改的属性称为套接字可选项。

套接字可选项的协议层#

套接字可选项按照所属协议分层，常见的层级如下：

协议层	主要内容	常见选项
SOL_SOCKET	套接字通用属性	SO_TYPE、SO_SNDBUF、SO_RCVBUF、SO_REUSEADDR
IPPROTO_IP	IP协议相关属性	IP_TOS、IP_TTL、IP_MULTICAST_TTL
IPPROTO_TCP	TCP协议相关属性	TCP_NODELAY、TCP_MAXSEG

实际可选项很多，没有必要一次全部记住。重要的是理解选项所属的协议层，以及如何读取和设置。

getsockopt和setsockopt#

读取套接字可选项使用 $getsockopt$ ：

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#include <sys/socket.h>
2

3
int getsockopt(int sock, int level, int optname,
4
               void *optval, socklen_t *optlen);
5
//成功时返回0，失败时返回-1。

$sock$ 是套接字文件描述符， $level$ 表示选项所属协议层， $optname$ 是选项名， $optval$ 用于保存读取结果， $optlen$ 传入缓冲大小并返回实际长度。

设置套接字可选项使用 $setsockopt$ ：

1
#include <sys/socket.h>
2

3
int setsockopt(int sock, int level, int optname,
4
               const void *optval, socklen_t optlen);
5
//成功时返回0，失败时返回-1。

前 $3$ 个参数含义相同， $optval$ 指向要设置的值， $optlen$ 表示该值占用的字节数。

例如，可以通过 $SO\_TYPE$ 读取套接字类型：

1
int sock_type;
2
socklen_t optlen = sizeof(sock_type);
3

4
getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_TYPE,
5
           (void *)&sock_type, &optlen);

$SO\_TYPE$ 是只读选项。套接字类型在调用 $socket$ 时已经确定，之后无法通过 $setsockopt$ 把 $TCP$ 套接字改成 $UDP$ 套接字。

SO_SNDBUF和SO_RCVBUF#

创建套接字时会同时生成输入、输出缓冲。 $SO\_RCVBUF$ 用于读取或设置输入缓冲大小， $SO\_SNDBUF$ 用于读取或设置输出缓冲大小。

1
int snd_buf = 1024 * 3;
2
int rcv_buf = 1024 * 3;
3

4
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF,
5
           (void *)&snd_buf, sizeof(snd_buf));
6
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF,
7
           (void *)&rcv_buf, sizeof(rcv_buf));

这里设置的数值只是向操作系统提出请求。为了保证 $TCP$ 流控制和重传机制能够正常工作，系统可能对缓冲大小进行调整，所以之后通过 $getsockopt$ 读到的实际值不一定与请求值完全相同。

9.2 SO_REUSEADDR#

地址分配错误与Time-wait状态#

服务器端正常运行后，如果由服务器首先发送 $FIN$ 断开连接，再立刻使用相同端口重启， $bind$ 可能会返回地址分配错误。原因是套接字经过四次握手后不会立即消失，先发送 $FIN$ 的一方会进入一段时间的 $Time-wait$ 状态。

$Time-wait$ 并非服务器端独有。无论服务器端还是客户端，只要首先发送 $FIN$ ，都可能进入该状态。客户端通常由系统动态分配端口，所以再次运行时可以换用其他端口；服务器端则需要监听固定端口，因此更容易受到影响。

Time-wait存在的原因#

假设主动断开方发送的最后一个 $ACK$ 在网络中丢失，对方就会认为自己的 $FIN$ 没有到达，并再次发送 $FIN$ 。如果主动断开方已经立即销毁套接字，就无法重发最后的 $ACK$ ，对方也不能正常结束连接。

$Time-wait$ 保留套接字一段时间，使其仍能接收重复的 $FIN$ 并重新发送 $ACK$ 。如果网络状况较差，对方再次发送 $FIN$ ， $Time-wait$ 计时器还会重新启动。

这提高了连接关闭过程的可靠性，但也意味着服务器意外终止后，可能无法立即重新绑定原来的端口。

地址再分配#

$SO\_REUSEADDR$ 用于控制能否重新使用处于 $Time-wait$ 状态的本地地址。其默认值通常为 $0$ ，设置为 $1$ 后，可以让服务器更快地重新绑定原端口：

1
int option = 1;
2
socklen_t optlen = sizeof(option);
3

4
setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
5
           (void *)&option, optlen);

这个选项应在调用 $bind$ 前设置。它并不会取消 $Time-wait$ 机制，而是允许新套接字在符合系统规则的情况下重新使用相同地址。

9.3 TCP_NODELAY#

Nagle算法#

$TCP$ 默认使用 $Nagle$ 算法减少小数据包的数量。它的基本规则可以简化为：收到前一批数据的 $ACK$ 后，再发送缓冲中的下一批数据。

假设程序先向输出缓冲写入字符 $N$ ，随后陆续写入 $agle$ 。使用 $Nagle$ 算法时， $N$ 可以先发送，剩余字符在等待 $ACK$ 的过程中留在缓冲区，收到 $ACK$ 后再作为一批数据发送。若关闭该算法，每次到达输出缓冲的少量数据都可能立刻形成数据包。

数据包除了数据本身，还包含几十字节的首部。如果为了传输少量数据生成大量数据包，会增加网络流量和处理开销。因此，在不了解通信特性时不应该随意禁用 $Nagle$ 算法。

何时禁用Nagle算法#

$Nagle$ 算法并非任何时候都能提升效率。如果程序连续传输大块数据，即使关闭算法，数据通常也会填满输出缓冲后再发送，不会明显增加数据包数量；此时若等待 $ACK$ 反而可能降低传输速度。

所以只有在确认禁用后不会明显增加网络流量，同时等待 $ACK$ 会影响传输效率或实时性时，才应考虑关闭 $Nagle$ 算法。

设置TCP_NODELAY#

通过把 $TCP\_NODELAY$ 设为 $1$ 可以禁用 $Nagle$ 算法：

1
int opt_val = 1;
2

3
setsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY,
4
           (void *)&opt_val, sizeof(opt_val));

也可以通过 $getsockopt$ 读取当前设置。 $TCP\_NODELAY$ 为 $0$ 表示正在使用 $Nagle$ 算法，为 $1$ 表示已经禁用。

9.4 基于Windows的实现#

本章介绍的可选项与 $TCP/IP$ 协议相关，在 $Windows$ 和 $Linux$ 中的含义基本一致。 $Windows$ 版本的函数如下：

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#include <winsock2.h>
2

3
int getsockopt(SOCKET sock, int level, int optname,
4
               char *optval, int *optlen);
5

6
int setsockopt(SOCKET sock, int level, int optname,
7
               const char *optval, int optlen);
8
//成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR。

与 $Linux$ 版本相比，主要区别是套接字使用 $SOCKET$ 类型， $optval$ 使用 $char$ 指针而非 $void$ 指针，移植时需要进行相应类型转换。 $SO\_SNDBUF$ 、 $SO\_RCVBUF$ 、 $SO\_REUSEADDR$ 和 $TCP\_NODELAY$ 的作用及设置思路均保持不变。

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