用C语言实现的一个DNS客户端
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DNS可以帮助我们把域名映射到一个IP地址上，或者查询一个IP地址下有那些域名，使用域名访问一个网站或者服务器是一件很平常的事情，很少有人关心域名变成IP地址的实际过程，本文将使用C语言实现一个基本的DNS解析器，通过与DNS服务器的通信完成将一个域名转换成IP地址的过程，本文将提供完整的源程序；阅读本文需要有一定的网络编程基础，熟悉基本的socket编程并对DNS有一些了解，本文对网络编程的初学者难度较大。
1. 目标
- 本文要实现一个DNS的客户端解析器(DNS resolver)，意即通过直接与DNS服务器通讯，将一个域名转换成其所对应的IP地址；
- 对DNS客户端解析器的要求：
- 命令行接受用户输入的域名
- 向DNS服务器发出查询请求，并将查询结果显示在屏幕上
- 仅查询域名的A记录(QTYPE=HOST，QCLASS=IN)，后面会讨论相关细节
- 如果查询结果有多条记录，要求显示所有查询结果
- 如果查询的域名为别名(Alias)，要求显示其实际域名(Canonical Name)
- 仅查询IPv4地址。
- 在C语言编程中，当需要将一个域名转换成IP地址时，通常是使用getaddrbyname()或者getaddrinfo()函数，这两个函数会使用系统设定的DNS服务器，本文实现的DNS客户端将使用自己定义的DNS服务器；
- 一个DNS的客户端无非就是按照一定的格式向DNS服务器发送一个报文，然后接收来自DNS服务器的响应，并解析收到的信息，从而获得结果。
2. DNS协议
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要编写一个DNS客户端程序，了解DNS协议是必须的，本节将仅对我们有用的有关DNS协议中的内容加以说明；看协议是枯燥的，也可以先不看，到后面需要时再回来查阅；
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DNS协议的主要内容包含在下面两个文件中
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rfc 1035中对一些参数的最大值做了限制
- labels - 最多63个字符
- names - 最多255字符
- TTL - 32bit有符号数字，只能是正数
- UDP messages - 最多512个字符
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这些限制告诉我们：
- 一个域名最长为255个字符，以’.‘分开的各个部分，每部分最多63个字符
- 使用UDP与DNS通信时，每个报文的长度不能超过512个字节
- TTL(Time To Live)，指查询到的一个DNS信息的生命周期，过了这个时间，这条信息即为作废，应该重新查询；
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在DNS的各种文章中，会经常看到RR的表述，这个是Resource Record的缩写，从DNS服务器返回的各种信息，都会存储在RR中；
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RR其实就是一个符合某种格式的数据结构，RR是DNS协议中非常重要的一个结构，rfc 1035(3.2)中，对RR做了定义：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | | / / / NAME / | | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | TYPE | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | CLASS | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | TTL | | | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | RDLENGTH | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--| / RDATA / / / +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ -
其中
-
NAME - 拥有者名称，意即该资源记录RR所属的节点名称；实际上就是个域名，这个字段的长度是可变的，下面会详细说明其记录方式；
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TYPE - RR的类别，占2个字节；常用的TYPE如下，更多信息请查阅rfc 1035第3.2.2；本文中，会用到TYPE=A和TYPE=CNAME两种；
1 2 3 4 5 6TYPE VALUE MEANING ----------------------------- A 1 主机地址 CNAME 5 别名的正式名称 MX 15 邮件交换 TXT 16 文本信息 -
CLASS - RR的适用的网络类别；CLASS的值常用的只有一个，即CLASS=IN，其值为1，表示互联网(Internet)
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TTL - 32bit的正整数表示该RR可以被缓存的时长，以秒为单位；该值为0时表示该RR只能用于当前事务，不能被缓存；
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RDLENGTH - 16bit无符号整数；该值表示RDATA字段的长度(字节数)；
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RDATA - 用于描述资源的可变长度字串；其格式取决于TYPE和CLASS字段的值，比如当TYPE=A时，RDATA中是一个32bit的IP地址。
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在rfc 1035的第4章定义了DNS协议的消息格式，向DNS服务器发送的查询报文以及DNS服务器的返回报文都符合这个格式；
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11+---------------------+ | Header | +---------------------+ | Question | the question for the name server +---------------------+ | Answer | RRs answering the question +---------------------+ | Authority | RRs pointing toward an authority +---------------------+ | Additional | RRs holding additional information +---------------------+ -
在这个报文格式中，不管是查询请求报文还是应答报文，都会有一个报头(Header)、在查询请求报文中，显然不需要有Answer、Authority和Additional三部分；
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Question部分有自己的格式，Answer、Authority和Additional这三部分的格式是一样的，下面将就这三种格式(Header、Question、Answer)做个简要说明；
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如果觉着这部分枯燥也可以先跳过，等看不懂程序时才回来查阅；
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Header的格式
- Header部分占了12个字节
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | ID | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ |QR| Opcode |AA|TC|RD|RA| Z | RCODE | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | QDCOUNT | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | ANCOUNT | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | NSCOUNT | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | ARCOUNT | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ - 其中
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ID - 随机标识，16bit长，随便填一个数即可；
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QR - Query Response；0表示该报文为查询报文，1表示该报文为应答报文；
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Opcode - Operation Code；表示报文的查询类型，该值由查询的发起方设置，并复制到应答报文中；0表示一个标准查询(QUERY)，1表示一个反向查询(IQUERY)，2表示查询服务器状态(STATUS)，3-15备用；
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AA - Authoritative Answer；权威答案，该位仅在响应报文中有效，该位为1表示当前名称服务器对所查询的域名具有权威性；
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TC - TrunCation；该位为1表示该报文不完整；由于该报文的长度过长，超过了传输通道允许的最大长度，该报文被截断；
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RD - Recursion Desired；该位为1表示要求DNS服务器做递归查询；如果在查询报文中设置了RD，在应答报文中将复制该位；
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RA - Recursion Available；递归可用，在应答报文中将该位置1表示名称服务器支持递归查询，将该位清0表示不支持递归查询(因为协议规定递归查询功能是可选的)；
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Z - Reserved；备用
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RCODE - Response code；响应码，在相应报文中设置，按照 rfc 1035 的定义，其值的含义如下：
值 含义 0 没有错误 1 格式错误 - 名称服务器无法解释查询报文 2 服务器故障 - 由于服务器故障，无法处理此查询 3 名称错误 - 仅对来自权威名称服务器的响应有意义，表示查询的域名不存在 4 功能未实现 - 名称服务器不支持所请求的查询类型 5 拒绝 - 名称服务器出于政策原因拒绝执行指定的操作 6-15 备用 -
QDCOUNT - 无符号16位整数，表示该报文中 QUESTION部分 有多少条查询请求；
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ANCOUNT - 无符号16位整数，表示该报文中 ANSWER部分 有多少条RR(Resource Record)；
-
NSCOUNT - 无符号16位整数，表示该报文中 Authority部分 有多少条有权威性的RR(Resource Record)
-
ARCOUNT - 无符号16位整数，表示该报文中 Additional部分 有多少条附加的RR(Resource Record)
-
- Header部分占了12个字节
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Question的格式
- Question部分是可变长度的
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | | / QNAME / / / +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | QTYPE | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | QCLASS | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ - 其中QNAME是可变长度的，QTYPE和QCLASS各占2个字节，16bits
- QNAME - 域名；以标签(label)方式表示的域名；每个标签的第一个字节表示这个标签的长度，后面跟着与该长度相同的字符，多个标签组成一个域名，标签的最后填充1个字节的0，表示标签结束；举例来说，www.baidu.com将用如下方式表达(以16进制表示)：
1 2 3length------length------------length------end 03 77 77 77 05 62 61 69 64 75 03 63 6f 6d 00 w w w b a i d u c o m - 要注意的是，这个字段的长度(字节数)可能是奇数，不需要填充以保证4字节或2字节对齐；
- QTYPE - 2字节，表示查询类型；在前面介绍RR时曾介绍了RR中的TYPE字段，所有TYPE的值这里都使用，本文用到的有：QTYPE=1(A记录)，QTYPE=5(CNAME记录)
- QCLASS - 2字节，表示网络类别，常用的值只有1个，即CALSS=1(Internet - 表示互联网)
- Question部分是可变长度的
-
Answer的格式
- Answer、Authority、Additional的格式是一样的，就是前面介绍的RR的格式，只是这里可能放着多个RR，其具体数量由Header中的ANCOUNT、AUCOUNT和ARCOUNT确定；
- 我们把RR的的格式在这里再展示一下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | | / / / NAME / | | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | TYPE | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | CLASS | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | TTL | | | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | RDLENGTH | +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--| / RDATA / / / +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ - 要说明的是，为了减小报文的长度，其NAME部分常常采用一种压缩方案(Compression Scheme)；因为在服务器发回的应答报文中，会包含查询请求报文中的QUESTION字段，这个字段中已经存放了域名，如果在ANSWER中再存放一次域名，显然是重复的，所以通常采用压缩方案；
- 比如我们查询 baidu.com 的A记录，在发出DNS请求的报文中，会包含 baidu.com 这个域名，在应答报文中，会把请求报文中的 question 部分复制过来，那么在 answer 部分的 RR 中的 baidu.com 与 question 中的 baidu.com 就是重复的，这时候，在 anwser 部分的 baidu.com 就会采用压缩方案存储；
- 采用标签方式存储域名时，第一个字符用于表示这个标签的长度，DNS协议规定，当这个长度字节的最高两位为0时，后面的6位表示这个标签的长度，当这个字节的最高两位全为1时，这个字节的后面6位连同下一个字节一起表示一个从报文首字节开始的偏移，指向一个域名；
- 前面说过，一个域名的总长度最大为255个字符，以’.‘分开的各个部分，每部分的最大长度为63个字符，为什么会限制为63个字符呢？因为在DNS协议里规定只有6 bit用于表示域名每部分的长度，所以每部分的长度最大只能是 26 - 1 = 63
- 我们用一个实际的例子来说明，这个例子是查询域名 baidu.com 的 A 记录时，实际返回的数据：
1 2 3 4 5 6 7 80000: 0xf1 0x01 0x81 0x80 0x00 0x01 0x00 0x02 0008: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x05 0x62 0x61 0x69 0010: 0x64 0x75 0x03 0x63 0x6f 0x6d 0x00 0x00 0018: 0x01 0x00 0x01 0xc0 0x0c 0x00 0x01 0x00 0020: 0x01 0x00 0x00 0x01 0x72 0x00 0x04 0x6e 0028: 0xf2 0x44 0x42 0xc0 0x0c 0x00 0x01 0x00 0030: 0x01 0x00 0x00 0x01 0x72 0x00 0x04 0x27 0038: 0x9c 0x42 0x0a - 最左边的一列是在内存中的偏移地址，在 question 部分的域名 baidu.com 出现在偏移地址为 0x000c 的位置，我们把它单独拿出来看：
1000c: 0x05 0x62 0x61 0x69 0x64 0x75 0x03 0x63 0x6f 0x6d 0x00 - 这样可能还不直观，我们换一种更加直观的方式：
1000c: 0x05 'b' 'a' 'i' 'd' 'u' 0x03 'c' 'o' 'm' 0x00 - 这是一种标准的标签方式记录的域名；
- 这个回应报文中的 answer 有两个，第一个从偏移地址 0x001b 开始，answer 的开始是 NAME 字段，采用了压缩方案存储：
1001b: 0xc0 0x0c - 按照标签方式，第一个字节应该表示这个标签的长度，但是这个字节 0xc0 的最高两位全为1，所以这里采用的是压缩方案，这个字节的后6位与下个字节一起组成一个偏移，下一个字节是 0x0c，所以偏移应该是：((0xc0 & 0x3f) « 8) + 0x0c = 0x000c，偏移地址 0x000c 处显示的是什么呢？正是 question 部分用标签方式存储的域名 baidu.com
- 这个例子只是为了直观的说明阳索方案是如何表达一个域名的，实际应用中可能比这个复杂一些，比如可能前面使用标签方式，但最后是一个压缩方案的指针等。
3. 实现一个DNS客户端
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我们要实现的这个DNS客户端，仅实现域名 A 记录和 CNAME 记录的查询，这也是最常见的两种DNS记录；
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通常 DNS 客户端使用 UDP 实现，DNS 协议规定的端口号是 53；
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实现一个DNS客户端的步骤：
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建立一个UDP socket
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设置socket接收超时，避免在接收应答消息时阻塞
1 2 3 4struct timeval timeout; timeout.tv_sec = 5; timeout.tv_usec = 0; setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout)); -
构建DNS request报文
- DNS request报文由(报头 + 域名 + QTYPE + QCLASS)组成，报头的长度为12字节，QTYPE和QCLASS的长度均为2字节，域名为不定长度
- 一个域名在 request 中占用的字节数为(域名字符串长度 + 2)；域名中每个’.‘的位置要换成标签的长度，域名的第一个标签需要增加1字节的长度字节，域名的结束需要填充一个0；
- 通过以上计算可以得出一个request的长度，合理地分配内存空间
1 2 3 4int dns_name_len = strlen(domain_name) + 2; int dns_request_len = 12 + dns_name_len + 2 + 2; unsigned char *dns_request = malloc(dns_request_len); memset(dns_request, 0, dns_request_len); - 将一个域名用标签方式存储，这是构建request最复杂的部分，
struct dnshdr定义了DNS报头结构，详见源程序1 2 3 4 5 6 7 8 9 10uint8_t *dns_name = dns_request + sizeof(struct dnshdr); char *p = (char *)dns_name; strcpy(p + 1, domain_name); char *pdot; while ((pdot = index(p + 1, '.')) != NULL) { *pdot = 0; *p = strlen(p + 1); p = pdot; } *p = strlen(p + 1); - 填写request中的QTYPE和QCLASS
1 2 3 4 5uint16_t *qtype = (uint16_t *)(dns_name + dns_name_len); uint16_t *qclass = (uint16_t *)(dns_name + dns_name_len + 2); *qtype = htons(1); *qclass = htons(1); - 填写DNS报头，ID填任何数字都可以，flags中RD=1表示要求服务器进行递归查询，其他字段均为0，qu_count=1表示有一个查询，要注意的是，request中的存储都必须是网络字节序，所以要使用htons()转换一下
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16struct dnshdr { uint16_t id; uint16_t flags; uint16_t qu_count; // Number of questions uint16_t an_count; // Number of answer rr uint16_t au_count; // Number of authority rr uint16_t ad_count; // Number of additional rr }; struct dnshdr *dns_header = (struct dnshdr *)dns_request; dns_header->id = htons(0x1234); dns_header->flags = htons(0x0100); dns_header->qu_count = htons(1); dns_header->an_count = 0; dns_header->au_count = 0; dns_header->ad_count = 0;
-
向DNS服务器发送DNS request报文
1 2 3 4 5 6 7struct sockaddr_in dns_addr; memset(&dns_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); dns_addr.sin_family = AF_INET; dns_addr.sin_port = htons(53); dns_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("114.114.114.114"); sendto(sockfd, dns_request, dns_request_len, 0, (struct sockaddr *)&dns_addr, sizeof(struct sockaddr)); -
接收来自DNS服务器的应答报文
1 2 3 4 5uint8_t *buf = malloc(512); memset(buf, 0, 512); struct sockaddr_in addr; unsigned int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in); recvfrom(sockfd, buf, 512, 0, (struct sockaddr *)&addr, &addr_len);- DNS协议规定，DNS数据包的长度不超过512字节，所以这里仅给接收缓冲区分配512个字节
-
解析DNS服务器的应答报文
- 从DNS报头获取answer部分的RR数量
1 2struct dnshdr *dns_hdr = (struct dnshdr *)buf; uint16_t ancount = ntohs(dns_hdr->an_count); - 找到answer部分的起始位置，在应答报文中，要跳过question部分才是answer部分，但question部分不是固定长度的，所以要费点周折；
1 2 3 4 5 6 7 8uint8_t *p_question = buf + sizeof(struct dnshdr); uint8_t *p = p_question; while (*p > 0) { p += *p; p++; } p++; uint8_t *p_answer = p + 2 + 2; - p_question指向question部分的开头，经过一个循环找到QTYPE字段的位置，再加上QTYPE和QCLASS的长度就找到了answer的起始位置；
- answer中的内容其实就是一个一个的RR，前面我们已经从包头中获得了RR的数量，这里循环就好了
- 前面介绍过RR的结构，一个RR是由(NAME + TYPE + CLASS + TTL + RDLENGTH + RDATA)组成，其中CLASS永远为IN，TTL是设置DNS cache时用的，这两项我们可以不用管；
- TYPE决定着RDATA的格式和内容，我们只解析A记录和CNAME记录，所以如果TYPE为其他类型，我们可以放弃
- 如果是A记录(TYPE=1)，则RDATA中是一个32位的IP地址，占4个字节，NAME中存放着其主域名(不是别名)；
- 如果是CNAME记录(TYPE=5)，则NAME中存放的是一个别名，RDATA中存放着这个别名的主域名，此时RDATA中的数据采用标签方式或压缩方案存储域名；
- 在源程序中有一个函数parse_name()专门用于将RR中的name或者RDATA中的name转换成我们可以读懂的域名格式
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33char *owner_name; char *cname; int name_len = 0; uint16_t ans_type; uint16_t rdlength; uint8_t *p_rdata; owner_name = malloc(256); int i; for (i = 0; i < ancount; ++i) { memset(owner_name, 0, 256); name_len = parse_name(buf, p_answer, owner_name, 256); ans_type = ntohs(*(int16_t *)(p_answer + name_len)); rdlength = ntohs(*(int16_t *)(p_answer + name_len + 2 + 2 + 4)); p_rdata = p_answer + name_len + 2 + 2 + 4 + 2; if (ans_type == TYPE_HOST) { // host ip in rdata. ip points to rdata. printf("The owner name: %s\n", owner_name); printf("ip: %d.%d.%d.%d\n", p_rdata[0], p_rdata[1], p_rdata[2], p_rdata[3]); } else if (ans_type == TYPE_CNAME) { // canonical name in rdata cname = malloc(256); memset(cname, 0, 256); parse_name(buf, p_rdata, cname, 256); printf("The alias name: %s\n", owner_name); printf("The canonical name: %s\n", cname); free(cname); } // point to next answer p_answer = p_answer + name_len + QTYPE_LEN + QCLASS_LEN + TTL_LEN + RDLENGTH_LEN + rdlength; } free(owner_name); - owner_name是RR中NAME字段中的域名，cname是当TYPE=CNAME时，RDATA中的域名
- parse_name()是解析name的函数，其返回值为该name在报文中占用的字节数，p_answer是指向answer部分开头的指针，所以p_answer加上parse_name()的返回值就是RR中TYPE字段的位置，再加上TYPE、CLASS和TTL的长度，就是RDLENGTH字段的位置，再加上RDLENGTH的长度，就是RDATA的位置，p_data指针就是这样得到的；
- 从DNS报头获取answer部分的RR数量
-
-
完整源程序的文件名为：dns-client.c(点击文件名下载源程序)
-
编译：```gcc -Wall dns-client.c -o dns-client``
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运行：
./dns-client baidu.com-
查询这个域名通常会返回2条A记录
-
-
运行：
./dns-test www.baidu.com-
www.baidu.com其实是一个别名，所以这个查询会得到一个CNAME记录和2个A记录
-
4. 后记
- 在日常的网络活动中，有时会遇到DNS污染的困扰，比如在浏览器中输入域名，却无法到达我们期望到达的网站，这有时就是因为我们收到的DNS回应并不是来自一个合法的DNS服务器；当遇到此类问题时，本文的程序可以帮助你判断是否存在DNS污染；
- 如果一个网站没有完成备案，则使用域名访问时也无法到达该网站，这其实也是在DNS上做的文章；
- 本文仅对DNS的A记录和CNAME记录做了解析，其实常用DNS记录还有MX、TXT等；
- DNS的反向查询指的是使用IP地址查询其对应的域名；
- DNS协议的在rfc 1035中定义的反向查询(Inverse Queries)，但是该功能是可选的(Optional)，也就是说DNS服务器可以不具备反向查询的功能，所以使用这个功能可能无法达到预期结果；
- 但是DNS协议在rfc 1035中定义了一个域 IN-ADDR.ARPA，利用这个域的查询可以达到和反向查询类似的功能，所以在实际应用中，如果需要做DNS反向查询，通常都是采用 IN-ADDR.PARA 域来完成，更详细的信息请查阅 rfc 1035 第3.5节。
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文章作者 whowin
上次更新 2023-03-28