Java Socket 地址结构

1. 前言

我们知道计算机网络中连接的设备有很多，比如 PC、手机、打印机、路由器、交换机、网关等，通常把这些网络设备叫做节点（Node）。每一个节点都分配有唯一的 IP 地址，用以标识此设备。IP 地址包含 32 位 IPv4 和 128 位 IPv6 两个版本。由于 IP 地址是一串数字或者是字节序列，对计算机是友好的，但是对我们人类非常不友好，不利于传播、记忆。为此，计算机科学家又开发了一套 DNS 系统，给每一台计算机分配了唯一的、对人类友好的主机名字，通常叫做域名。比如，www.linkdao.cn 是慕课网主站的域名。当然，有的主机会分配多个域名。

人们常说生活没有那么简单，往往是解决了一个老问题，又引出了新问题。当你开发了 DNS 系统以后，我们人类确实方便了，可是域名对计算机来说不方便，计算机更喜欢 IP 地址。这就又需要解决 IP 地址和域名之间相互解析、映射的问题，当然这些问题在 DNS 系统中都得到了妥善的处理。域名解析系统是一个分布式集群系统，是一个树形结构。一次域名解析可能需要经过本地缓存、本地域名服务器、远程域名服务器之间多次交互。

从上面的描述可以看出，IP 地址和域名之间的相互解析是一套非常复杂的机制。好在操作系统将这一套复杂的机制进行了封装，以 API 的形式提供给网络程序员，这样极大的简化了编程的复杂度。

一般操作系统都提供了 C 语言接口 getaddrinfo 和 getnameinfo，前者的功能是通过域名获取 IP 地址，后者的功能是通过 IP 地址获取域名。

在 Java 平台中，java.net.InetAddress 类实现了完整的 IP 地址和域名之间的相互解析机制。

2. InetAddress 类的体系结构

java.net.InetAddress 类的体系结构如下：

图片描述

各类的功能说明：

InetAddress 是 Java IP 地址的包装类，也是域名解析的核心类。
Inet4Address 代表了 IPv4 地址格式的封装，一般程序员不需要关心此类。
Inet6Address 代表了 IPv6 地址格式的封装，一般程序员不需要关心此类。
InetSocketAddress 是 Socket 地址的封装，它通过私有内部类 InetSocketAddressHolder 间接包装了 InetAddress 结构和 端口号（Port）。在网络编程中，通常把 Socket 地址叫做 Endpoint，用 <IP, Port> 的组合来表示。

在网络编程中，应用最为频繁的两个类是 InetSocketAddress 和 InetAddress。其中，InetSocketAddress 类对 InetAddress 和 Port 进行了封装，形成了完整的 Socket 地址。而 InetAddress 核心实现就是域名解析和缓存。

InetAddress 类没有 public 构造方法，提供了一组 public static 工厂方法用以创建 InetAddress 实例。接下来，我们重点分析一下 getByName 和 getByAddress 两类方法。

3. getByName 方法

InetAddress 提供了两个公有静态方法 getByName 和 getAllByName 来构造 InetAddress 实例，它们的原型如下：

// 创建单个 InetAddress 实例
public static InetAddress getByName(String host) throws UnknownHostException
// 创建多个 InetAddress 实例
public static InetAddress[] getAllByName(String host) throws UnknownHostException

这两个方法都会连接域名解析服务器进行域名解析，具体工作原理如下：

首先会检查传入参数 host，也就是域名。如果传入参数为 null，那么会返回以 loopback 地址构造的 InetAddress 结构。
如果输入参数 host 是一个 IP 地址，那么根据 IP 地址是 IPv4 还是 IPv6，分别构造 Inet4Address 或 Inet6Address 结构，并且返回。
查询本地 Cache，如果本地 Cache 中已经存在 host 相应的地址，则直接返回。
如果本地 Cache 查询失败，则遍历本地注册的 name services。如果有定制的 name services 注册，那么会调用此定制的 name services。如果没有定制的 name services，那么会调用 default name services，最终会调用系统的 getaddrinfo 函数。getaddrinfo 是一个 POSIX 标准函数，一般系统都会实现。

getByName 方法的应用非常简单，示例如下：

public static void testInetAddressByName(String host){
        try {
            InetAddress addr = InetAddress.getByName(host);
            System.out.println("getByName addr=" + addr.toString());

            InetAddress[] addrs = InetAddress.getAllByName(host);
            for (InetAddress a: addrs){
                System.out.println("getAllByName addr=" + a.toString());
            }
        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

测试 wwww.linkdao.cn 域名，执行结果如下：

getByName addr=www.linkdao.cn/115.182.41.103
getAllByName addr=www.linkdao.cn/115.182.41.103
getAllByName addr=www.linkdao.cn/117.121.101.144
getAllByName addr=www.linkdao.cn/115.182.41.180
getAllByName addr=www.linkdao.cn/117.121.101.40
getAllByName addr=www.linkdao.cn/117.121.101.134
getAllByName addr=www.linkdao.cn/115.182.41.163

需要注意的是 getByName 方法会抛出 UnknownHostException 异常，需要捕获。

4. getByAddress 方法

如果你有明确的 IP 地址，并不需要进行域名解析，可以调用 InetAddress 提供的另一组工厂方法 getByAddress，方法原型如下：

public static InetAddress getByAddress(byte[] addr) throws UnknownHostException

public static InetAddress getByAddress(String host, byte[] addr) throws UnknownHostException

这是两个重载的 public static 方法，功能都类似：

第一个重载的 getByAddress 方法提供一个参数，即用 byte [] 类型的数组表示的 IP 地址。
第二个重载的 getByAddress 方法提供两个参数，用 String 类型表示的域名（host），和用 byte [] 类型的数组表示的 IP 地址。
二者都不进行域名解析，只是根据输入参数构造 InetAddress 实例。
接收 host 输入参数的 getByAddress 方法不保证域名和 IP 地址的对应关系，也不保证域名是否可以访问。

getByAddress 方法应用的示例代码如下：

public static void testInetAddressByAddr()
    {
        byte[] ips = new byte[]{ (byte)192, (byte)168,1,101};
        try {
            InetAddress addr = InetAddress.getByAddress(ips);
            System.out.println("getByAddress addr=" + addr.toString());

            InetAddress addr2 = InetAddress.getByAddress("www.example.com", ips);
            System.out.println("getByAddress with host addr=" + addr2.toString());
        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

我们输入 192.168.1.101，执行结果如下：

getByAddress addr=/192.168.1.101
getByAddress with host addr=www.example.com/192.168.1.101

5. InetAddress 的 Cache 策略

由于域名解析需要客户端和域名服务器经过很多次交互，一般都比较耗费时间，所以 InetAddress 提供了 Cache 机制。这样，当客户程序调用 getByName 解析域名的时候，首先是从 Cache 中查找，这样可以极大提高域名解析的效率。

域名绑定的 IP 地址可能会发生变化，所以 Cache 中存储的 IP 地址也是有生命周期的。Java 提供了两个全局参数可以用来配置 Cache 的有效时间。

networkaddress.cache.ttl

成功解析的域名在 Cache 中的存活时间。

networkaddress.cache.negative.ttl

解析失败的域名在 Cache 中的存活时间。

实际上除了 Java 本地有 Cache 机制，域名解析服务器也是有 Cache 机制的，目的都是相同的。

6. 小结

InetAddress 类在网络编程中的应用是非常频繁的，了解域名解析机制有利于我们更好的应用此类的功能。在实际产品应用中都是通过 getByName 方法构造 InetAddress 实例的，尽量避免通过 getByAddress 方法构造 InetAddress 实例。这样可以提高程序的维护性。当然，在实验室的内网环境中进行开发测试，往往采用的是私有 IP 地址，这时可以通过 getByAddress 方法来构造 InetAddress 实例。

Java Socket 地址结构

1. 前言​

2. InetAddress 类的体系结构​

3. getByName 方法​

4. getByAddress 方法​

5. InetAddress 的 Cache 策略​