C实现DNS_罗索

TAG: 实现DNS

DNS(Domain Name System)域名系统提供了主机名和IP地址之间的转换。通常我们在应用程序中使用库函数gethostbyname()和gethostbyaddr()来完成两者之间的转换。但是为了更深入的学习网络底层知识，有必要从源代码级别来分析和实现

RFC 1034说明了DNS的概念和功能，RFC 1035详细说明了DNS的规范和实现。通过阅读RFC，我们知道明白了，应用程序对DNS的访问是通过解析器来(resolver)完成的，解析器并不像TCP/IP协议那样是OS的内核，而是通过网络访问DNS服务器来得到名字和地址的对应关系。OS的TCP/IP协议簇对DNS一点都知道。

工欲善其事必先利其器，先得进行些基础知识的复习:《bit与byte的区别》和《bit与byte的联系》及《位运算》，一个int是4个byte(十六进制中01 02 03 04转化为十进制为16909060)，一个char是1个byte(十六进制中97转化为字符为a)。例如在十六进制中0x80，用bit来表示就是1000 0000，此时如果我们对它实施位(>>5)运算，得到的结果就是0000 0100，十六进制值为0x04。

在Linux的内核代码中，经常可以看见形如#define do{ }while(0)的宏定义，是否感到疑惑呢？宏定义只是帮助我们进行替换而已，当定义多条语句时，会在if...else...语句中产生歧义，详细解释参考链接。(小插曲，我在测试中只#include <stdlib.h>，忘记了#include <stdio.h>，然后在后面使用了printf等，结果编译的时候产生警告:

warning: implicit declaration of function ‘printf’
warning: incompatible implicit declaration of built-in function ‘printf’

经过查找才知道警告的原因是没有包含printf函数的明确定义，那么就隐式定义了。而编译时库里恰好有这个函数，虽然不会出错，但会给出警告。从代码习惯上讲，所有函数都应该被明确定义，切记)

一般的DNS是基于UDP，报文格式如下图:

前面是固定的12byte首部，后面是4个长度可变的字段。

从首部开始，0~15位bit刚好是2个byte，由客户程序设置并由服务器返回，客户程序通过它来确定响应是否与查询匹配(例如，客户程序在这里输入的是十六进制的0xD8B4，那么服务器的该字段也会填入相同的值。这个标识又称为Transaction ID，在《DNS欺骗技术原理与安全防范技术》中有更详细的讨论)。

接下来的16~31位bit刚好也是2个byte，用作协议的标志位

500)this.width=500;" border=0>

QR是1个bit位:0代表查询报文，1代表相应报文
opcode是4个bit位字段:0代表标准查询，1代表反向查询，2代表服务器状态请求
AA是1个bit位，是Authoritative Answer的缩写，指明名字服务器是授权于该域的
TC是1个bit位，是Truncated的缩写，意为可截断的，指明在UDP中应答报文超过512字节时，只返回512字节
RD是1个bit位，是Recursion Desired的缩写，意为期望递归，期望名字服务器必须处理这个查询，而不是给出一个迭代查询服务器的列表
RA是1个bit位，是Recursion Available的缩写，意为可用递归，如果名字服务器支持递归查询，这会将此位设置为1
zero是3个bit位，设置为0
rcode是4个bit位，表示名字差错，0为无差错，3为有差错。当查询中指定的域不存在的时候，就返回3

现在通过抓包来加深对上面的理解:
C实现DNS - 满天星 - 满天星

通过上图我们可以，二进制格式就为0000 0001 0000 0000，16位bit两个byte，其十六进制值为0x0100，这是一个标准的DNS查询请求的标志位

再接着是4段16位bit:

QuestionCount 查询问题记录数由客户端填写，服务器端按原值返回
AnswerCount 资源记录数由服务器端填写，代表有多少适应这个问题记录的对应IP
NameServerCount 授权资源记录数，一般为0
AdditionalCount 额外资源记录数，一般为0

现在通过抓包来加深对上面的理解:

500)this.width=500;" border=0>

分析完报文头，现在该是报文体了。分为四大块:

查询问题
回答
授权
额外信息

先看查询问题，它通常只有一个问题，当然也可以有多个问题，问题数由QuestionCount确定:

查询名是要查找的名字，它是一个或多个标识符的序列。每个标识符以首字节的计数值，来说明随后标识符的字节长度，每个名字以最后字节为0结束，长度为0的标识符是根标识符。计数字节的值必须是0~63的数，因为标识符的最大长度仅为63。该字段无需以整32bit边界结束，即无需填充字节。这种编码格式非常象BT协议中bencode编码，例如查询twistedmatrix.com:

500)this.width=500;" border=0>

第一位为计数位，从首字母到第一个.号，一共是13位(twistedmatrix)，然后是第二个计数位，值为3，由com计算得到，最后是结束符号0。
接着就是查询类型，该类型就是针对查询问题的，在RFC中有详细的描述，一般使用如下表:
< --if gte mso > Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 < endif-->< --if gte mso > < endif-->

类型	值	描述
A	1	IP地址
NS	2	名字服务器
MD	3	邮件目的的(已过时，请用MX)
MF	4	邮件中转站(已过时，请用MX)
CNAME	5	规范名词
SOA	6	xxx
MB	7	邮箱记录名(实验性质)
MG	8	邮件组成员(实验性质)
MR	9	邮件更改后记录名(实验性质)
NULL	10	空RR(实验性质)
WKS	11	众所皆知的服务描述
PTR	12	指针记录
HINFO	13	主机信息
MINFO	14	邮箱或者邮件列表信息
MX	15	邮件交换记录
TXT	16	文本字符串

最常用的查询类型为A，表示期望获得查询名对应的IP地址。最后的查询类，通常是1，指互联网地址

剩下的3个字段是:回答，授权和额外信息，均采用资源记录RR(Resource Record)格式，如下图:

域名是记录中资源数据对应的名字。它的格式和前面介绍的查询名字段格式相同。类型说明RR的类型码。它的值和前面介绍的查询类型值是一样的。类通常为1，指Internet数据。生存时间字段是客户程序保留该资源记录的秒数。资源记录通常的生存时间值为2天。资源数据长度说明资源数据的数量。该数据的格式依赖于类型字段的值。对于类型1(A记录)资源数据是4字节的IP地址。

=============================================================================

上文已提过，通常进行域名和IP地址的转换时，使用gethostbyname()和gethostbyaddr()(在W.Richard Stevens的《Unix Network Programming》第11章有详细的说明)。当仔细分析了DNS的协议后，我们自己动手来写写看。
下例执行的环境在Debian4.0上，编译工具为gcc，DNS服务器地址为192.168.1.1(通常该服务的默认监听端口为53)，文件名为DNSClient.c:

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <error.h> 
#include <string.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <time.h> 
 
static void printmessage(unsigned char *buf); 
static unsigned char *printnamestring(unsigned char *p,unsigned char *buf); 
 
#define GETWORD(__w,__p) do{__w=*(__p++)<<8;__w|=*(p++);}while(0) 
#define GETLONG(__l,__p) do{__l=*(__p++)<<24;__l|=*(__p++)<<16;__l|=*(__p++)<<8;__l|=*(p++);}while(0) 
 
int main(int argc,char* argv[]) 
{ 
    if(argc != 2) 
    { 
       printf("usage: dnsclient <host_name>\n"); 
       return -1; 
    } 
    time_t ident; 
    int fd; 
    int rc; 
    int serveraddrlent; 
    char *q; 
    unsigned char *p; 
    unsigned char *countp; 
    unsigned char reqBuf[512] = {0}; 
    unsigned char rplBuf[512] = {0}; 
    struct sockaddr_in serveraddr; 
  
    //udp 
    fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 
    if(fd == -1) 
    { 
       perror("error create udp socket"); 
       return -1; 
    } 
    
    time(&ident); 
    //copy 
    p = reqBuf; 
    //Transaction ID 
    *(p++) = ident; 
    *(p++) = ident>>8; 
    //Header section 
    //flag word = 0x1000 
    *(p++) = 0x01; 
    *(p++) = 0x00; 
    //Questions = 0x0001 
    //just one query 
    *(p++) = 0x00; 
    *(p++) = 0x01; 
    //Answer RRs = 0x0000 
    //no answers in this message 
    *(p++) = 0x00; 
    *(p++) = 0x00; 
    //Authority RRs = 0x0000 
    *(p++) = 0x00; 
    *(p++) = 0x00; 
    //Additional RRs = 0x0000 
    *(p++) = 0x00; 
    *(p++) = 0x00; 
    //Query section 
    countp = p;   
    *(p++) = 0; 
    for(q=argv[1]; *q!=0; q++) 
    { 
       if(*q != '.') 
       { 
           (*countp)++; 
           *(p++) = *q; 
       } 
       else if(*countp != 0) 
       { 
           countp = p; 
           *(p++) = 0; 
       } 
    } 
    if(*countp != 0) 
       *(p++) = 0; 
 
    //Type=1(A):host address 
    *(p++)=0; 
    *(p++)=1; 
    //Class=1(IN):internet 
    *(p++)=0; 
    *(p++)=1; 
  
    printf("\nRequest:\n"); 
    printmessage(reqBuf); 
 
   //fill 
    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); 
    serveraddr.sin_family = AF_INET; 
    serveraddr.sin_port = htons(53); 
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); 
  
    //send to DNS Serv 
    if(sendto(fd,reqBuf,p-reqBuf,0,(void *)&serveraddr,sizeof(serveraddr)) < 0) 
    { 
       perror("error sending request"); 
       return -1; 
    } 
  
    //recev the reply 
    bzero(&serveraddr,sizeof(serveraddr)); 
    serveraddrlent = sizeof(serveraddr); 
    rc = recvfrom(fd,&rplBuf,sizeof(rplBuf),0,(void *)&serveraddr,&serveraddrlent); 
    if(rc < 0) 
    { 
       perror("error receiving request\n"); 
       return -1; 
    }   
 
    //print out results 
    printf("\nReply:\n"); 
    printmessage(rplBuf); 
  
    //exit 
    printf("Program Exit\n"); 
    return 0;  
} 
static void printmessage(unsigned char *buf) 
{ 
    unsigned char *p; 
    unsigned int ident,flags,qdcount,ancount,nscount,arcount; 
    unsigned int i,j,type,class,ttl,rdlength; 
  
    p = buf; 
    GETWORD(ident,p); 
    printf("ident=%#x\n",ident); 
  
    GETWORD(flags,p); 
    printf("flags=%#x\n",flags); 
    //printf("qr=%u\n",(flags>>15)&1); 
    printf("qr=%u\n",flags>>15); 
  
    printf("opcode=%u\n",(flags>>11)&15); 
    printf("aa=%u\n",(flags>>10)&1); 
    printf("tc=%u\n",(flags>>9)&1); 
    printf("rd=%u\n",(flags>>8)&1); 
    printf("ra=%u\n",(flags>>7)&1); 
    printf("z=%u\n",(flags>>4)&7); 
    printf("rcode=%u\n",flags&15);  
  
    GETWORD(qdcount,p); 
    printf("qdcount=%u\n",qdcount); 
 
    GETWORD(ancount,p); 
    printf("ancount=%u\n",ancount); 
 
    GETWORD(nscount,p); 
    printf("nscount=%u\n",nscount); 
  
    GETWORD(arcount,p); 
    printf("arcount=%u\n",arcount); 
  
    for(i=0; i<qdcount; i++) 
    { 
       printf("qd[%u]:\n",i); 
       while(*p!=0) 
       { 
           p = printnamestring(p,buf); 
           if(*p != 0) 
              printf("."); 
       } 
       p++; 
       printf("\n"); 
       GETWORD(type,p); 
       printf("type=%u\n",type); 
       GETWORD(class,p); 
       printf("class=%u\n",class); 
    } 
  
    for(i=0; i<ancount; i++) 
    { 
       printf("an[%u]:\n",i); 
       p = printnamestring(p,buf); 
       printf("\n"); 
       GETWORD(type,p); 
       printf("type=%u\n",type); 
       GETWORD(class,p); 
       printf("class=%u\n",class); 
       GETLONG(ttl,p); 
       printf("ttl=%u\n",ttl); 
       GETWORD(rdlength,p); 
       printf("rdlength=%u\n",rdlength); 
       printf("rd="); 
       for(j=0; j<rdlength; j++) 
       { 
           printf("%2.2x(%u)",*p,*p); 
           p++; 
       } 
       printf("\n"); 
    } 
} 
  
static unsigned char *printnamestring(unsigned char *p,unsigned char *buf) 
{ 
    unsigned int nchars,offset; 
 
    nchars = *(p++); 
    if((nchars & 0xc0) == 0xc0) 
    { 
       offset = (nchars & 0x3f) << 8; 
       offset |= *(p++); 
       nchars = buf[offset++]; 
       printf("%*.*s",nchars,nchars,buf+offset); 
    } 
    else 
    { 
       printf("%*.*s",nchars,nchars,p); 
       p += nchars; 
    } 
  
    return (p); 
}

ddd

编译命令为
lsj@debian007:~$ gcc -g -Wall -o DNSClient DNSClient.c
然后执行:
lsj@debian007:~$ ./DNSClient rg4.net
就可以看见结果啦,这里使用的是UDP的数据格式，我们知道UDP的头部有一个16bit的长度，那么能表示的最大长度为2的16次方65536，再减去包头20，所以UDP包最大长度为65536-20=65516，但是在实际应用中，最好不要超过1K

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