C语言实现DNS请求器

文章目录

C语言实现DNS请求器
- 项目介绍
- 前置知识
- - DNS介绍
  - DNS的分层
  - 域名解析
  - 递归查询和迭代查询
  - DNS协议报文格式
  - - 头部（Header）
    - Queries（查询问题区域）
  - wireshark 分析DNS请求和响应报文
- 技术要点
- 程序执行流程
- 程序设计流程
- 代码剖析
- - DNS header和 question部分结构体实现
  - DNS header数据填充
  - DNS Queries部分数据的填充
  - 合并DNS header和question部分
  - UDP Socket编程发送DNS请求和接收DNS响应
  - 解析出响应报文的相关数据
  - - 解析响应的函数
    - 解析出域名的函数
- 完整源代码
- 问题

项目介绍

本程序完成给定指定域名请求对应ip地址的功能，类似于win和linux下nslookup的功能

前置知识

DNS介绍

域名系统（英文：Domain Name System ，缩写 DNS ）是互联网的一项服务。它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。 DNS 使用 TCP 和 UDP 端口 53 。当前，对于每一级域名长度的限制是 63 个字符，域名总长度则不能超过 253 个字符。域名系统（英文：Domain Name System ，缩写 DNS 的作用是将人类可读的域名如， www.example.com) 转换为机器可读的 IP 地址如， 192.0.2.44) 。

DNS的分层

域名系统是分层次的。
在域名系统的层次结构中，各种域名都隶属于域名系统根域的下级。域名的第一级是顶级域，它包括通用顶级域，例如 .com 、 .net 和 .org ；以及国家和地区顶级域，例如 .us 、 .cn 和 .tk 。顶级域名下一层是二级域名，一级一级地往下。这些域名向人们提供注册服务，人们可以用它创建公开的互联网资源或运行网站。顶级域名的管理服务由对应的域名注册管理机构（域名注册局）负责，注册服务通常由域名注册商负责。

域名解析

主机名到IP 地址的映射有两种方式：
静态映射 在本机上配置域名和 IP 的映射，旨在本机上使用。 Windows 和 Linux的 hosts 文件中的内容就属于静态映射。

动态映射 建立一套域名解析系统（ DNS ），只在专门的 DNS 服务器上配置主机到IP 地址的映射，网络上需要使用主机名通信的设备，首先需要到 DNS 服务器查询主机所对应的 IP 地址。通过域名去查询域名服务器，得到IP 地址的过程叫做域名解析。在解析域名时，一般先静态域名解析，再动态解析域名。可以将一些常用的域名放入静态域名解析表中，这样可以大大提高域名解析效率。

递归查询和迭代查询

递归查询：本机向本地域名服务器发出一次查询请求，就静待最终的结果。如果本地域名服务器无法解析，自己会以 DNS 客户机的身份向其它域名服务器查询，直到得到最终的 IP 地址告诉本机。
迭代查询：本地域名服务器向根域名服务器查询，**根域名服务器告诉它下一步到哪里去查询，然后它再去查，**每次它都是以客户机的身份去各个服务器查询

DNS协议报文格式

头部（Header）

Queries（查询问题区域）

域名（ 2 字节或不定长）：它的格式和 Queries 区域的查询名字字段是一样的。有一点
不同就是，当报文中域名重复出现的时候，该字段使用 2 个字节的偏移指针来表示。比
如，在资源记录中，域名通常是查询问题部分的域名的重复，因此用 2 字节的指针来表
示，具体格式是最前面的两个高位是 11（0xC0） ，用于识别指针。其余的 14 位从 DNS 报文的开
始处计数（从 0 开始），指出该报文中的相应字节数。一个典型的例子，
C00C(11 00 000000001100, 12 (字节)正好是头部的长度，其正好指向 Queries 区域的查询名字字段。
查询类型(Type)：表明资源纪录的类型.
查询类(Class)：对于 Internet 信息，总是 IN
生存时间（ TTL 以秒为单位，表示的是资源记录的生命周期，一般用于当地址解析程
序取出资源记录后决定保存及使用缓存数据的时间，它同时也可以表明该资源记录的稳
定程度，极为稳定的信息会被分配一个很大的值（比如 86400 ，这是一天的秒数）。
资源数据： 该字段是一个可变长字段，表示按照查询段的要求返回的相关资源记录的数
据。**可以是 Address （表明查询报文想要的回应是一个 IP 地址）**或者 CNAME （表明查询
**报文想要的回应是一个规范主机名）**等。

wireshark 分析DNS请求和响应报文

技术要点

使用传输层的UDP Socket进行编程
应用层的DNS报文格式

程序执行流程

程序设计流程

DNS请求头以及正文部分的结构体定义
DNS header 数据填充
DNS question 数据填充
合并DNS header和question部分（build_requestion）
通过UDP Socket 发送请求报文和接受响应报文
解析出响应报文的相关数据

代码剖析

DNS header和 question部分结构体实现

对照DNS报文格式进行实现即可

//dns报文Header部分数据结构
struct dns_header{unsigned short id; //2字节（16位）unsigned short flags; unsigned short questions; //问题数unsigned short answer; //回答数unsigned short authority;unsigned short additional;
};//dns报文Queries部分的数据结构
struct dns_question{int length; //主机名的长度，自己添加的，便于操作unsigned short qtype;unsigned short qclass;//查询名是长度和域名组合//如www.0voice.com ==> 60voice3com0//之所以这么做是因为域名查询一般是树结构查询，com顶级域，0voice二级域unsigned char *name; // 主机名（长度不确定）
};//dns响应报文中数据（域名和ip）的结构体
struct dns_item{char *domain; char *ip;
};

DNS header数据填充

我们只填充3个字段：Transaction ID、Flags、Questions.其中会话标识随机生成，标志和问题数要进行主机字节序到网络字节序的转换：

//将header部分字段填充数据
int dns_create_header(struct dns_header *header)
{if(header == NULL)return -1;memset(header, 0x00, sizeof(struct dns_header));//id用随机数,种子用time(NULL),表明生成随机数的范围srandom(time(NULL)); // 线程不安全header->id = random();//网络字节序（大端）:地址低位存数据高位;主机字节序则与之相反//主机(host)字节序转网络(net)字节序header->flags = htons(0x0100);header->questions = htons(1);return 0;
}

DNS Queries部分数据的填充

对照报文中Queries的部分进行填充

int dns_create_question(struct dns_question *question, const char *hostname)
{if(question == NULL || hostname == NULL)return -1;memset(question, 0x00, sizeof(struct dns_question));//内存空间长度：hostname长度 + 结尾\0 再多给一个空间question->name = (char *)malloc(strlen(hostname) + 2);if(question->name == NULL){return -2;}question->length = strlen(hostname) + 2;//查询类型1表示获得IPv4地址question->qtype = htons(1);//查询类1表示Internet数据question->qclass = htons(1);//【重要步骤】//名字存储：www.0voice.com -> 3www60voice3com const char delim[2] = ".";char *qname = question->name; //用于填充内容用的指针//strdup先开辟大小与hostname同的内存，然后将hostname的字符拷贝到开辟的内存上char *hostname_dup = strdup(hostname); //复制字符串，调用malloc//将按照delim分割出字符串数组，返回第一个字符串char *token = strtok(hostname_dup, delim);while(token != NULL){//strlen返回字符串长度不含'\0'size_t len = strlen(token);*qname = len;//长度的ASCII码qname++;//将token所指的字符串复制到qname所指的内存上，最多复制len + 1长度 //len+1使得最后一个字符串把\0复制进去strncpy(qname, token, len + 1);qname += len;//固定写法，此时内部会获得下一个分割出的字符串返回（strtok会依赖上一次运行的结果）token = strtok(NULL, delim); //依赖上一次的结果，线程不安全}free(hostname_dup);
}

合并DNS header和question部分

将header部分数据和question部分数据合并到字符数组中去。

//将header和question合并到request中
//header [in]
//question [in]
//request [out]
//rlen:代表request的大小
int dns_build_requestion(struct dns_header *header, struct dns_question *question, char *request, int rlen)
{if (header == NULL || question == NULL || request == NULL)return -1;memset(request, 0, rlen);//header -> requestmemcpy(request, header, sizeof(struct dns_header));int offset = sizeof(struct dns_header);//Queries部分字段写入到request中，question->length是question->name的长度memcpy(request + offset, question->name, question->length);offset += question->length;memcpy(request + offset, &question->qclass, sizeof(question->qclass));offset += sizeof(question->qclass);memcpy(request + offset, &question->qtype, sizeof(question->qtype));offset += sizeof(question->qtype);return offset; //返回request数据的实际长度
}

UDP Socket编程发送DNS请求和接收DNS响应

UDP Socket编程的基本流程和函数调用顺序基本相同，

代码流程：

创建UDP Socket
填充服务器地址结构体的数据（struct sockaddr_in）
连接以保证尽可能的可靠（connect）
DNS报文数据填充 (dns_create_header、dns_build_requestion)
通过socket发送DNS请求报文(sendto)
接受DNS响应报文(recvfrom)
解析响应报文

int dns_client_commit(const char *domain)
{//下方流程是基本定死的套路//1.创建UDP socket//网络层ipv4, 传输层用udpint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd < 0){return -1;}//2.结构体填充数据struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); //将结构体数组清空servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(DNS_SERVER_PORT);//点分十进制地址转为网络所用的二进制数 替换inet_pton//servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DNS_SERVER_IP);inet_pton(AF_INET, DNS_SERVER_IP, &servaddr.sin_addr.s_addr);//UDP不一定要connect，只是这样提高成功发送请求的可能性connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));//3.dns报文的数据填充struct dns_header header = {0};dns_create_header(&header);struct dns_question question = {0};dns_create_question(&question, domain);char request[1024] = {0};int len = dns_build_requestion(&header, &question, request, 1024);//4.通过sockfd发送DNS请求报文int slen = sendto(sockfd, request, len, 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(struct sockaddr));char response[1024] = {0};struct sockaddr_in addr;size_t addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);//5.接受DNS服务器的响应报文//addr和addr_len是输出参数int n = recvfrom(sockfd, response, sizeof(response), 0, (struct sockaddr *)&addr, (socklen_t *)&addr_len);struct dns_item *dns_domain = NULL;//6.解析响应dns_parse_response(response, &dns_domain);free(dns_domain);return n; //返回接受到的响应报文的长度
}

解析出响应报文的相关数据

解析响应的函数

//struct dns_item** 是因为当struct dns_item *为NULL时需要改变其值
static int dns_parse_response(char *buffer, struct dns_item **domains)
{int i = 0;unsigned char *ptr = buffer;ptr += 4; // ptr向前4字节，指向Questions(问题数)字段开头int querys = ntohs(*(unsigned short *)ptr);ptr += 2; //ptr向前2字节，指向Answer RR回答数开头int answers = ntohs(*(unsigned short *)ptr); //一个域名可能对应多个ipptr += 6; //ptr向前6字节，指向Queries(查询问题区域)Name字段的开头for(i = 0;i < querys; i++){//如查询的网址为www.0voice,则Name = 3www60voice3com0 while(1){//flag就是随后字符串的长度int flag = (int)ptr[0];ptr += (flag + 1); if(flag == 0)   break;}ptr += 4; //指向下一个查询名Name字段的开头//最后一次循环是跳过Type和Class字段}char cname[128], aname[128], ip[20], netip[4];int len, type, ttl, datalen;int cnt = 0;//动态分配内存的数组//分配answers个dns_item的内存，并全部置为0，返回指向一个位置的指针struct dns_item *list = calloc(answers, sizeof(struct dns_item));if(list == NULL){return -1;}//解析出Answers（回答区域）的内容for(int i = 0;i < answers;++i){bzero(aname, sizeof(aname));len = 0;//从buffer中ptr指向的位置解析出域名到aname中，并将长度写入len中dns_parse_name(buffer, ptr, aname, &len);ptr += 2; //???type = htons(*(unsigned short *)ptr);ptr += 4;ttl = htons(*(unsigned short *)ptr);ptr += 4;datalen = ntohs(*(unsigned short *)ptr);ptr += 2;if(type == DNS_CNAME){bzero(cname, sizeof(cname));len = 0;从buffer的ptr位置开始解析出内容到cname中,len用来接受解析出的内容长度dns_parse_name(buffer, ptr, cname, &len);ptr += datalen;}else if(type == DNS_HOST){bzero(ip, sizeof(ip));//ipv4为4字节if(datalen == 4){memcpy(netip, ptr, datalen);//二进制网络字节序netip转为点分十进制地址存到ipinet_ntop(AF_INET, netip, ip, sizeof(struct sockaddr));printf("%s has address %s\n", aname, ip);printf("\t Time to live : %d minutes, %d seconds\n",ttl / 60, ttl % 60);list[cnt].domain = (char *)calloc(strlen(aname) + 1, 1);memcpy(list[cnt].domain, aname, strlen(aname));list[cnt].ip = (char *)calloc(strlen(ip) + 1, 1);memcpy(list[cnt].ip, ip, strlen(ip));cnt++;}ptr += datalen;}}*domains = list;ptr += 2; //????return cnt;
}

解析出域名的函数

域名（ 2 字节或不定长）：它的格式和 Queries 区域的查询名字字段是一样的。有一点
不同就是，当报文中域名重复出现的时候，该字段使用 2 个字节的偏移指针来表示。比
如，在资源记录中，域名通常是查询问题部分的域名的重复，因此用 2 字节的指针来表
示，具体格式是最前面的两个高位是 11（0xC0） ，用于识别指针。其余的 14 位从 DNS 报文的开
始处计数（从 0 开始），指出该报文中的相应字节数。一个典型的例子，
C00C(11 00 000000001100, 12 (字节)正好是头部的长度，其正好指向 Queries 区域的查询名字字段。

第一次出现某个Name（域名）

第二次出现相同的域名，只占两个字节(C0 0C = 1100 0000 0000 1100)，高2位表示是指针，低14位表示这个域名第一次出现的偏移（12字节）

//从chunk的ptr指向的位置开始解析名字，长度写入len
static void dns_parse_name(unsigned char* chunk, unsigned char *ptr, char *out, int *len)
{int flag = 0, n = 0, alen = 0;//pos指向的内存用于存储解析得到的结果char *pos = out + (*len); // 传入的 *len = 0while(1){flag = (int)ptr[0]; if(flag == 0) break;//如果为指针表明该Name重复出现过，这一字段只占2字节if(is_pointer(flag)){n = (int)ptr[1]; //获取第一次Name出现的偏移ptr = chunk + n;dns_parse_name(chunk, ptr, out, len);break;}else //不是指针，表明是第一次出现Name的地方，此时flag表示随后字符串长度{ptr++;memcpy(pos, ptr, flag);pos += flag;ptr += flag;*len += flag;if((int)ptr[0] != 0){memcpy(pos, ".", 1);pos += 1;(*len) += 1;}}}}static int is_pointer(int in)
{//0xC0 : 1100 0000return ((in & 0xC0) == 0xC0);
}

完整源代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#define DNS_SERVER_PORT     53
#define DNS_SERVER_IP       "114.114.114.114"#define DNS_HOST            0x01
#define DNS_CNAME           0x05//dns报文Header部分数据结构
struct dns_header{unsigned short id; //2字节（16位）unsigned short flags; unsigned short questions; //问题数unsigned short answer; //回答数unsigned short authority;unsigned short additional;
};//dns报文Queries部分的数据结构
struct dns_question{int length; //主机名的长度，自己添加的，便于操作unsigned short qtype;unsigned short qclass;//查询名是长度和域名组合//如www.0voice.com ==> 60voice3com0//之所以这么做是因为域名查询一般是树结构查询，com顶级域，0voice二级域unsigned char *name; // 主机名（长度不确定）
};//dns响应报文中数据（域名和ip）的结构体
struct dns_item{char *domain; char *ip;
};//将header部分字段填充数据
int dns_create_header(struct dns_header *header)
{if(header == NULL)return -1;memset(header, 0x00, sizeof(struct dns_header));//id用随机数,种子用time(NULL),表明生成随机数的范围srandom(time(NULL)); // 线程不安全header->id = random();//网络字节序（大端）地址低位存数据高位//主机(host)字节序转网络(net)字节序header->flags = htons(0x0100);header->questions = htons(1);return 0;
}//将Queries部分的字段填充数据
int dns_create_question(struct dns_question *question, const char *hostname)
{if(question == NULL || hostname == NULL)return -1;memset(question, 0x00, sizeof(struct dns_question));//内存空间长度：hostname长度 + 结尾\0 再多给一个空间question->name = (char *)malloc(strlen(hostname) + 2);if(question->name == NULL){return -2;}question->length = strlen(hostname) + 2;//查询类型1表示获得IPv4地址question->qtype = htons(1);//查询类1表示Internet数据question->qclass = htons(1);//【重要步骤】//名字存储：www.0voice.com -> 3www60voice3com const char delim[2] = ".";char *qname = question->name; //用于填充内容用的指针//strdup先开辟大小与hostname同的内存，然后将hostname的字符拷贝到开辟的内存上char *hostname_dup = strdup(hostname); //复制字符串，调用malloc//将按照delim分割出字符串数组，返回第一个字符串char *token = strtok(hostname_dup, delim);while(token != NULL){//strlen返回字符串长度不含'\0'size_t len = strlen(token);*qname = len;//长度的ASCII码qname++;//将token所指的字符串复制到qname所指的内存上，最多复制len + 1长度 //len+1使得最后一个字符串把\0复制进去strncpy(qname, token, len + 1);qname += len;//固定写法，此时内部会获得下一个分割出的字符串返回（strtok会依赖上一次运行的结果）token = strtok(NULL, delim); //依赖上一次的结果，线程不安全}free(hostname_dup);
}//将header和question合并到request中
//request是传入传出参数
int dns_build_requestion(struct dns_header *header, struct dns_question *question, char *request, int rlen)
{if (header == NULL || question == NULL || request == NULL)return -1;memset(request, 0, rlen);//header -> requestmemcpy(request, header, sizeof(struct dns_header));int offset = sizeof(struct dns_header);//Queries部分字段写入到request中，question->length是question->name的长度memcpy(request + offset, question->name, question->length);offset += question->length;memcpy(request + offset, &question->qclass, sizeof(question->qclass));offset += sizeof(question->qclass);memcpy(request + offset, &question->qtype, sizeof(question->qtype));offset += sizeof(question->qtype);return offset; //返回request数据的实际长度
}static int is_pointer(int in)
{//0xC0 : 1100 0000return ((in & 0xC0) == 0xC0);
}//从chunk的ptr指向的位置开始解析名字，长度写入len
static void dns_parse_name(unsigned char* chunk, unsigned char *ptr, char *out, int *len)
{int flag = 0, n = 0, alen = 0;//pos指向的内存用于存储解析得到的结果char *pos = out + (*len); // 传入的 *len = 0//???while(1){flag = (int)ptr[0]; // ???if(flag == 0) break;if(is_pointer(flag)){n = (int)ptr[1];ptr = chunk + n;dns_parse_name(chunk, ptr, out, len);break;}else //不是指针，表明是第一次出现Name的地方{ptr++;memcpy(pos, ptr, flag);pos += flag;ptr += flag;*len += flag;if((int)ptr[0] != 0){memcpy(pos, ".", 1);pos += 1;(*len) += 1;}}}}//解析响应
//struct dns_item** 是因为当struct dns_item *为NULL时需要改变其值
static int dns_parse_response(char *buffer, struct dns_item **domains)
{int i = 0;unsigned char *ptr = buffer;ptr += 4; // ptr向前4字节，指向Questions(问题数)字段开头int querys = ntohs(*(unsigned short *)ptr);ptr += 2; //ptr向前2字节，指向Answer RR回答数开头int answers = ntohs(*(unsigned short *)ptr); //一个域名可能对应多个ipptr += 6; //ptr向前6字节，指向Queries(查询问题区域)Name字段的开头for(i = 0;i < querys; i++){//如查询的网址为www.0voice,则Name = 3www60voice3com0 while(1){int flag = (int)ptr[0];ptr += (flag + 1); //???if(flag == 0)   break;}ptr += 4; //指向下一个查询名Name字段的开头或跳过Type和Class字段}char cname[128], aname[128], ip[20], netip[4];int len, type, ttl, datalen;int cnt = 0;//动态分配内存的数组//分配answers个dns_item的内存，并全部置为0，返回指向一个位置的指针struct dns_item *list = calloc(answers, sizeof(struct dns_item));if(list == NULL){return -1;}for(int i = 0;i < answers;++i){bzero(aname, sizeof(aname));len = 0;//解析出域名dns_parse_name(buffer, ptr, aname, &len);ptr += 2;type = htons(*(unsigned short *)ptr);ptr += 4;ttl = htons(*(unsigned short *)ptr);ptr += 4;datalen = ntohs(*(unsigned short *)ptr);ptr += 2;if(type == DNS_CNAME){bzero(cname, sizeof(cname));len = 0;//猜：从buffer的ptr位置开始解析出内容到cname中,len用来接受解析出的内容长度dns_parse_name(buffer, ptr, cname, &len);ptr += datalen;}else if(type == DNS_HOST){bzero(ip, sizeof(ip));//ipv4为4字节if(datalen == 4){memcpy(netip, ptr, datalen);//二进制网络字节序netip转为点分十进制地址存到ipinet_ntop(AF_INET, netip, ip, sizeof(struct sockaddr));printf("%s has address %s\n", aname, ip);printf("\t Time to live : %d minutes, %d seconds\n",ttl / 60, ttl % 60);list[cnt].domain = (char *)calloc(strlen(aname) + 1, 1);memcpy(list[cnt].domain, aname, strlen(aname));list[cnt].ip = (char *)calloc(strlen(ip) + 1, 1);memcpy(list[cnt].ip, ip, strlen(ip));cnt++;}ptr += datalen;}}*domains = list;ptr += 2; // 经测试这行不加也行return cnt;
}//客户端向dns服务器发送请求
int dns_client_commit(const char *domain)
{//下方流程是基本定死的套路//1.创建UDP socket//网络层ipv4, 传输层用udpint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd < 0){return -1;}//2.结构体填充数据struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); //将结构体数组清空servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(DNS_SERVER_PORT);//点分十进制地址转为网络所用的二进制数 替换inet_pton//servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DNS_SERVER_IP);inet_pton(AF_INET, DNS_SERVER_IP, &servaddr.sin_addr.s_addr);//UDP不一定要connect，只是这样提高成功发送请求的可能性connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));//3.dns报文的数据填充struct dns_header header = {0};dns_create_header(&header);struct dns_question question = {0};dns_create_question(&question, domain);char request[1024] = {0};int len = dns_build_requestion(&header, &question, request, 1024);//4.通过sockfd发送DNS请求报文int slen = sendto(sockfd, request, len, 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(struct sockaddr));char response[1024] = {0};struct sockaddr_in addr;size_t addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);//5.接受DNS服务器的响应报文//addr和addr_len是输出参数int n = recvfrom(sockfd, response, sizeof(response), 0, (struct sockaddr *)&addr, (socklen_t *)&addr_len);struct dns_item *dns_domain = NULL;//6.解析响应dns_parse_response(response, &dns_domain);free(dns_domain);return n; //返回接受到的响应报文的长度
}int main(int argc, char *argv[])
{if(argc < 2) return -1;dns_client_commit(argv[1]);return 0;
}

编译和执行

问题

dns_parse_response函数中下面部分

for(int i = 0;i < answers;++i){bzero(aname, sizeof(aname));len = 0;//解析出域名dns_parse_name(buffer, ptr, aname, &len);ptr += 2;// ???????为什么ptr指针只要移动2个字节，而不是len，aname难道不是可变的吗，只有跳过aname实际长度才会到Type字段。