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异步域名解析技术详解

分类： LINUX

2012-05-16 10:29:55

Asynchronous network address and service translation

    提到名字和地址转换，从事网络开发的朋友们估计都不会陌生。但是对于异步地址转换，你又了解多少呢？在这篇文章中，我将带你走进异步域名解析的世界之中...

    开始之前，还是让我们先回顾一下《UNP》中讲解的几种域名解析技术吧^_^

  • gethostbyname()函数

    1. 原型：#include <netdb.h>
    2.       struct hostent *gethostbyname(const char *hostname);
        该函数是查找主机名最基本的函数。如果调用成功了，他就返回一个指向hostent结构的指针，该结构中含有所查找主机的所有IPv4地址。这个函数的局限是只能返回IPv4地址。POSIX、规范预警可能会在将来的某个版本中撤销gethostbyname函数。该函数在执行时可能会阻塞，也就是说他是以同步的方式工作的。

  • gethostbyaddr函数

    gethostbyaddr函数试图由一个二进制的IP地址找到响应的主机名，与gethostbyname的行为正好相反。其原型如下：

    1. #include <netdb.h>
    2. struct hostent* gethostbyaddr(const char *addr, socklen_t len, 
                                    int family);
        本函数返回一个同样指向hostent结构的指针。addr参数实际上不是char *类型，而是一个指向存放IPv4地址的某个in_addr结构的指针；len参数是这个结构的大小：对于IPv4地址为4。family参数是AF_INET。 该函数在执行时可能会阻塞，也就是说他是以同步的方式工作的。

  • getaddrinfo函数

        前面两个函数仅仅支持IPv4，为了解决IPv6的情形，POSIX增加了getaddrinfo函数。getinfoaddr函数能够处理名字到地址及服务到端口这两种转换，返回的是一个sockaddr结构的链表而不是一个地址清单。这些sockaddr结构随后可由套接口直接使用。如此一来，getaddrinfo函数把协议相关性完全隐藏在这个库内部。应用程序只需要处理由getaddrinfo填写的套接口地址结构。该函数在POSIX规范中定义。其原型如下：

    1. #include <netdb.h>
    2. int getaddrinfo(const char *hostname, const char *service, 
                      const struct addrinfo *hints, 
                      struct addrinfo **result);
        其中hostname参数是一个主机名或地址串（IPv4的点分十进制数串或IPv6的十六进制数串）。service参数是一个服务名或十进制端口号数串。hints参数可以是一个空指针，也可以是一个指向某个addrinfo结构的指针，调用者在这个结构中填入关于期望返回的信息类型的暗示。举例来说，如果指定的服务既支持TCP也支持UDP，那么调用者可以把hints结构中的ai_socktype成员设置成SOCK_DGRAM，是的返回的仅仅是适用于数据包套结构的信息。如果hints参数是一个空指针，本函数就假设addrinfo结构中的ai_flag，ai_socktype和ai_protocol的值均为0,ai_family的值为AF_UNSPEC。

        如果函数返回成功(0)，那么由result参数指向的变量已被填入一个指针，它指向的是由其中的ai_next成员串接起来的addrinfo结构链表。同样， 该函数在执行时可能会阻塞，也就是说他是以同步的方式工作的。 可导致返回多个addrinfo结构的情形有以下两个：

    • 如果与hostname参数关联的地址有多个，那么适用于所请求地址族（可通过hints结构的ai_family成员设置）的每个地址都返回一个对应的结构。

    • 如果service参数指定的服务支持多个套接口类型，那么每个套接口类型都可能返回一个对应的结构，具体取决于hints结构的ai_socktype成员。（注意：getaddrinfo的多数实现认为只能按照由ai_socktype成员请求的套接口类型端口号数串到端口的转换，如果没有指定这个成员，就返回一个错误。）
    可以看出，以上的函数都是以同步的方式完成域名解析的。那么，若是将其使用在对性能要求比较高的网络服务器程序中的话，可能会因为它们的阻塞执行行为而导致程序的服务能力大打折扣。那么，在这种情况下我们迫切需要一种能够异步执行域名解析的技术，来解决同步方式的性能问题！

    下面我们先简要介绍几种异步域名解析技术：
  1. 程序用采用多线程的方式进行域名解析，每一个域名解析事件由一个独立线程负责处理。这种方式实现简单，易于管理，但唯一的不足是程序的开销太大。

  2. 阅读DNS RFC文档，依据其中的原理和通信协议说明，自己实现一个异步的域名解析方案。这种技术，在实现时比较复杂且困难，但是在使用时较为灵活。一般人的话，不建议使用。

  3. 利用libevent高性能网络开发程序库中的API进行域名解析，编译时需要加上-levent选项。libevent就是利用2中说所的技术来解决异步的域名解析问题的，有兴趣的同学可以研读一下libevent.

  4. 利用linux平台下的api：getaddrinfo_a()函数进行异步域名解析。下面将重点讲解该技术。
   
getaddrinfo_a 异步网络地址和服务转换函数
 
    getaddrinfo_a函数的功能类似于getaddrinfo，但是它允许异步地解析多个域名。函数原型如下：

  1. #define _GNU_SOURCE
  2. #include <netdb.h>

  4. int getaddrinfo_a(int mode, struct gaicb *list[], int nitems, 
                      struct sigevent *sevp);

  6. int gai_suspend(struct gaicb *list[], int nitems, 
                    struct timespec *timeout);

  8. Link with -lanl
    其中，mode参数可能的赋值如下所示：
  • GAI_WAIT
    执行同步解析，函数调用阻塞到解析完成时为止。

  • GAI_NOWAIT
    执行异步解析，函数调用会立即返回，但是操作在后台将继续执行。详见下文中对sevp参数的讨论。
    list数组中包含了待处理的请求信息。nitem参数指定了list数组中请求的数目。在执行时，这些操作将被并行的处理。若list数组的某成员值为NULL，那么该请求将被忽略。

    struct gaich结构定义如下：

  1. struct gaicb{
  2.     const char *ar_name;
  3.     const char *ar_service;
  4.     const struct addrinfo *ar_request;
  5.     struct addrinfo *ar_result;
  6. };
    该结构体中的成员和getaddrinfo函数的参数是对应的。ar_name对应于node参数并且ar_service对应于service参数，用于标识一个网络主机和一个服务。ar_request中的元素对应于hints参数，用于规范返回的用于套接口地址结构的数据。最后，ar_result对应于res参数，该成员不必执行初始化操作，当请求被成功处理后会自动的被设置。addrinfo结构的详细描述详见Linux Manual getaddrinfo(3)

    当mode被指定为GAI_NOWAIT并且请求被成功处理之后，系统将会按照定义在sevp参数指定的sigevent结构中的成员的约定执行后续操作。

struct sigevent结构定义如下：

  1. struct sigevent {
  2.     int   sigev_notify;        /* Notification method */
  3.     int   sigev_signo;         /* Notification signal */
  4.     union sigval sigev_value;  /* Data passed with notification */
  5.     void  (*sigev_notify_function) (union sigval);
  6.                  /* Function used for thread notification
  7.                     (SIGEV_THREAS) */
  8.     void  *sigev_notify_attributes;
  9.                  /* Attributes for notification thread 
  10.                     (SIGEV_THREAD) */
  11.     pid_t sigev_notify_thread_id;
  12.                  /* ID of thread to signal (SIGEV_THREAD_ID) */
  13. };

  15. union sigval {       /* Data passed with notification */
  16.     int  sival_int;  /* Integer value */
  17.     void *sival_ptr; /* Pointer value */
  18. };
其中，sigev_notify成员可以有如下一些的合法值：
  • SIGEV_NONE
    没有提供任何通知机制，也就是当请求完成的时候将不采取任何后续措施。

  • SIGEV_SIGNAL
    当一个解析任务完成的时候，系统将为相应的进程产生一个sigev_signo信号。那么，此时siginfo_t结构中的si_code成员的值将被设置成SI_ASYNCNL.

  • SIGEV_THREAD
    当一个解析任务完成的时候，系统将通过sigev_notify_function指定的函数启动一个线程处理后续的任务。
    技术细节提示：当sigev_notify的取值为SIGEV_SIGNAL和SIGEV_THREAD的时候，最好将sevp->sigev_value.sival_ptr指向list，因为系统在后续的某个时刻可能会使用。

    在使用getaddrinfo_a函数的时候，需要结合gai_suspend()函数才能完成异步解析任务。该函数将暂停调用线程直到有一个或多个请求被完成时为止。

    如果getaddrinfo_a函数成功处理了加入到队列中的所有请求，那么返回值是0。否则，将返回如EAI_AGAIN，EAI_MEMORY，EAI_SYSTEM的错误代码。

    如果至少有一个请求被成功的处理了，gai_suspend函就返回0；否则，将返回诸如EAI_AGAIN,EAI_ALLDONE,EAI_INTR的错误代码。

    下面是两个使用getaddrinfo_a函数进行域名解析的demo，其中前一个是同步执行时的事例，后一个是异步执行时的事例。

  1. Synchronous Example
  2.        The program below simply resolves several hostnames in parallel, giving a speed-up compared to resolving the hostnames sequentially using getaddrinfo(3). The program might be used like this:

  4.            $ ./a.out ftp.us.kernel.org enoent.linuxfoundation.org gnu.cz
  5.            ftp.us.kernel.org: 128.30.2.36
  6.            enoent.linuxfoundation.org: Name or service not known
  7.            gnu.cz: 87.236.197.13

  9.        Here is the program source code

  11.        #define _GNU_SOURCE
  12.        #include <netdb.h>
  13.        #include <stdio.h>
  14.        #include <stdlib.h>
  15.        #include <string.h>

  17.        int
  18.        main(int argc, char *argv[])
  19.        {
  20.            int i, ret;
  21.            struct gaicb *reqs[argc - 1];
  22.            char host[NI_MAXHOST];
  23.            struct addrinfo *res;

  25.            if (argc < 2) {
  26.                fprintf(stderr, "Usage: %s HOST...\n", argv[0]);
  27.                exit(EXIT_FAILURE);
  28.            }

  30.            for (i = 0; i < argc - 1; i++) {
  31.                reqs[i] = malloc(sizeof(*reqs[0]));
  32.                if (reqs[i] == NULL) {
  33.                    perror("malloc");
  34.                    exit(EXIT_FAILURE);
  35.                }
  36.                memset(reqs[i], 0, sizeof(*reqs[0]));
  37.                reqs[i]->ar_name = argv[i + 1];
  38.            }

  40.            ret = getaddrinfo_a(GAI_WAIT, reqs, argc - 1, NULL);
  41.            if (ret != 0) {
  42.                fprintf(stderr, "getaddrinfo_a() failed: %s\n",
  43.                        gai_strerror(ret));
  44.                exit(EXIT_FAILURE);
  45.            }

  47.            for (i = 0; i < argc - 1; i++) {
  48.                printf("%s: ", reqs[i]->ar_name);
  49.                ret = gai_error(reqs[i]);
  50.                if (ret == 0) {
  51.                    res = reqs[i]->ar_result;

  53.                    ret = getnameinfo(res->ai_addr, res->ai_addrlen,
  54.                            host, sizeof(host),
  55.                            NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
  56.                    if (ret != 0) {
  57.                        fprintf(stderr, "getnameinfo() failed: %s\n",
  58.                                gai_strerror(ret));
  59.                        exit(EXIT_FAILURE);
  60.                    }
  61.                    puts(host);

  63.                } else {
  64.                    puts(gai_strerror(ret));
  65.                }
  66.            }
  67.            exit(EXIT_SUCCESS);
  68.        }
    下面的一个事例是异步方式的getaddrinfo_a()函数的工作demo:

  1. Asynchronous Example
  2.        This example shows a simple interactive getaddrinfo_a() front-end. The notification facility is not demonstrated.

  4.        An example session might look like like this:

  6.            $ ./a.out
  7.            > a ftp.us.kernel.org enoent.linuxfoundation.org gnu.cz
  8.            > c 2
  9.            [2] gnu.cz: Request not canceled
  10.            > w 0 1
  11.            [00] ftp.us.kernel.org: Finished
  12.            > l
  13.            [00] ftp.us.kernel.org: 216.165.129.139
  14.            [01] enoent.linuxfoundation.org: Processing request in progress
  15.            [02] gnu.cz: 87.236.197.13
  16.            > l
  17.            [00] ftp.us.kernel.org: 216.165.129.139
  18.            [01] enoent.linuxfoundation.org: Name or service not known
  19.            [02] gnu.cz: 87.236.197.13

  21.        The program source goes as follows:


  24.        #define _GNU_SOURCE
  25.        #include <netdb.h>
  26.        #include <stdio.h>
  27.        #include <stdlib.h>
  28.        #include <string.h>

  30.        static struct gaicb **reqs = NULL;
  31.        static int nreqs = 0;

  33.        static char *
  34.        getcmd(void)
  35.        {
  36.            static char buf[256];

  38.            fputs("> ", stdout); fflush(stdout);
  39.            if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL)
  40.                return NULL;

  42.            if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
  43.                buf[strlen(buf) - 1] = 0;

  45.            return buf;
  46.        }

  48.        /* Add requests for specified hostnames */
  49.        static void
  50.        add_requests(void)
  51.        {
  52.            int nreqs_base = nreqs;
  53.            char *host;
  54.            int ret;

  56.            while ((host = strtok(NULL, " "))) {
  57.                nreqs++;
  58.                reqs = realloc(reqs, nreqs * sizeof(reqs[0]));

  60.                reqs[nreqs - 1] = calloc(1, sizeof(*reqs[0]));
  61.                reqs[nreqs - 1]->ar_name = strdup(host);
  62.            }

  64.            /* Queue nreqs_base..nreqs requests. */

  66.            ret = getaddrinfo_a(GAI_NOWAIT, &reqs[nreqs_base],
  67.                                nreqs - nreqs_base, NULL);
  68.            if (ret) {
  69.                fprintf(stderr, "getaddrinfo_a() failed: %s\n",
  70.                        gai_strerror(ret));
  71.                exit(EXIT_FAILURE);
  72.            }
  73.        }

  75.        /* Wait until at least one of specified requests completes */
  76.        static void
  77.        wait_requests(void)
  78.        {
  79.            char *id;
  80.            int i, ret, n;
  81.            struct gaicb const **wait_reqs = calloc(nreqs, sizeof(*wait_reqs));
  82.                        /* NULL elements are ignored by gai_suspend(). */

  84.            while ((id = strtok(NULL, " ")) != NULL) {
  85.                n = atoi(id);

  87.                if (n >= nreqs) {
  88.                    printf("Bad request number: %s\n", id);
  89.                    return;
  90.                }

  92.                wait_reqs[n] = reqs[n];
  93.            }

  95.            ret = gai_suspend(wait_reqs, nreqs, NULL);
  96.            if (ret) {
  97.                printf("gai_suspend(): %s\n", gai_strerror(ret));
  98.                return;
  99.            }

  101.            for (i = 0; i < nreqs; i++) {
  102.                if (wait_reqs[i] == NULL)
  103.                    continue;

  105.                ret = gai_error(reqs[i]);
  106.                if (ret == EAI_INPROGRESS)
  107.                    continue;

  109.                printf("[%02d] %s: %s\n", i, reqs[i]->ar_name,
  110.                       ret == 0 ? "Finished" : gai_strerror(ret));
  111.            }
  112.        }

  114.        /* Cancel specified requests */
  115.        static void
  116.        cancel_requests(void)
  117.        {
  118.            char *id;
  119.            int ret, n;

  121.            while ((id = strtok(NULL, " ")) != NULL) {
  122.                n = atoi(id);

  124.                if (n >= nreqs) {
  125.                    printf("Bad request number: %s\n", id);
  126.                    return;
  127.                }

  129.                ret = gai_cancel(reqs[n]);
  130.                printf("[%s] %s: %s\n", id, reqs[atoi(id)]->ar_name,
  131.                       gai_strerror(ret));
  132.            }
  133.        }

  135.        /* List all requests */
  136.        static void
  137.        list_requests(void)
  138.        {
  139.            int i, ret;
  140.            char host[NI_MAXHOST];
  141.            struct addrinfo *res;

  143.            for (i = 0; i < nreqs; i++) {
  144.                printf("[%02d] %s: ", i, reqs[i]->ar_name);
  145.                ret = gai_error(reqs[i]);

  147.                if (!ret) {
  148.                    res = reqs[i]->ar_result;

  150.                    ret = getnameinfo(res->ai_addr, res->ai_addrlen,
  151.                                      host, sizeof(host),
  152.                                      NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
  153.                    if (ret) {
  154.                        fprintf(stderr, "getnameinfo() failed: %s\n",
  155.                                gai_strerror(ret));
  156.                        exit(EXIT_FAILURE);
  157.                    }
  158.                    puts(host);
  159.                } else {
  160.                    puts(gai_strerror(ret));
  161.                }
  162.            }
  163.        }

  165.        int
  166.        main(int argc, char *argv[])
  167.        {
  168.            char *cmdline;
  169.            char *cmd;

  171.            while ((cmdline = getcmd()) != NULL) {
  172.                cmd = strtok(cmdline, " ");

  174.                if (cmd == NULL) {
  175.                    list_requests();
  176.                } else {
  177.                    switch (cmd[0]) {
  178.                    case 'a':
  179.                        add_requests();
  180.                        break;
  181.                    case 'w':
  182.                        wait_requests();
  183.                        break;
  184.                    case 'c':
  185.                        cancel_requests();
  186.                        break;
  187.                    case 'l':
  188.                        list_requests();
  189.                        break;
  190.                    default:
  191.                        fprintf(stderr, "Bad command: %c\n", cmd[0]);
  192.                        break;
  193.                    }
  194.                }
  195.            }
  196.            exit(EXIT_SUCCESS);
  197.        }
祝，好运！
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