速度法拉利 Google DNS服務器提速技術揭秘
原創【51CTO.com獨家特稿】Google推出了“Google免費公共DNS服務器”據Google官方聲稱，Google DNS的目標是速度、安全性和有效性，它意味著完全沒有劫持、沒有阻截、沒有過濾的DNS查詢，而且速度飛快。那么為什么Google敢說自己的DNS服務器速度快呢？Google官方出具了一份文檔說明，我們這就來看一看。
傳統的DNS服務器緩慢的原因
隨著網頁越做越復雜，引用的資源可能來自多個域，于是DNS查找成為網頁瀏覽過程的瓶頸。無論何時，客戶端需要查詢DNS服務器的時候，由于要查詢的DNS服務器數量和它所處的地理位置不同，時間延遲有很大的差異。例如，下圖顯示由PageSpeed測量出的瀏覽一個網頁時時間都花到哪些動作上了，每個條塊表示網頁中引用的一個資源，黑色區域表示DNS查找所花掉的時間，在這個頁面中，前11秒執行了13次DNS查找，雖然很多查找是并行執行的，圖中顯示仍然有5個串行查找時間，它們就占據了11秒的大部分時間。
圖 1 PageSpeed報告的頁面瀏覽過程各個操作的時間
DNS延遲由兩部分組成
1、在客戶端（用戶）和DNS服務器之間的延遲，受網絡通信情況的約束，這個時間所占的比例是非常大的，如客戶端和服務器之間的距離，網絡擁塞，數據包丟失和長時間重傳延遲，服務器本身超載運行，拒絕服務攻擊等。
2、DNS服務器之間的延遲，這種延遲主要是以下因素造成的：
（1）緩存丟失。如果某個查詢請求不能從緩存中直接返回結果，請求就會遞歸查詢其它DNS服務器，如果遇到根服務器出現這種問題，那影響更厲害。
（2）如果DNS服務器超載運行，所有查詢請求必須排隊。
（3）惡意流量。拒絕服務器攻擊可以給DNS服務器帶來過度的負載。
我們認為緩存丟失是DNS延遲最主要的因素。
緩存丟失
即使DNS服務器有充足的本地資源，但與遠程DNS服務器之間的延遲是不可避免的，當本地緩存丟失時，解析器至少需要和一個其它DNS服務器溝通，有時甚至是兩個或多個，通過對Google搜索的觀察，我們發現平均每次解析時間需要130毫秒，由于UDP包丟失或服務器不能響應，大約有4-6%的搜索請求會超時。如果我們采取措施解決如數據包丟失，死掉的DNS服務器，或DNS配置錯誤，那響應時間會上升到300-400毫秒。
雖然各個DNS緩存丟失率不盡相同，但由于以下原因，緩存丟失是不可避免的：
1、互聯網規模在不斷變大。隨著互聯網爆炸式增長，不斷有新用戶和新的網站加入，互聯網內容已經非常龐大。
2、TTL值。DNS TTL值降低的趨勢迫使任何解析都需要頻繁的查找。
3、緩存隔離。DNS服務器通常都采用了負載均衡技術，每個獨立的服務器都維護一份獨立的緩存，而不能共用共享緩存池中的解析。
Google免費公共DNS服務器如何提高DNS查找速度
在Google公共DNS中，我們采用了多種技術手段來提高DNS查找速度，其中一些方法是實驗性質的，另外一些是遵循標準的。
1、充分配置服務器處理來自客戶端的通信，包括惡意流量。
2、預防DoS和放大攻擊，雖然這是一個安全問題，但阻止DoS攻擊可以提高DNS服務器處理正常請求的能力。
3、共享緩存負載均衡，提高跨服務器集群的緩存命中率。
4、域名預取技術?？朔鹘y的被動式緩存缺陷，我們將通過這個技術滿足流量有限和緩存分區等技術挑戰。
5、提供給全球用戶使用。
Google免費公共DNS服務器提速法寶一：正確配置服務器集群
緩存DNS解析器必須執行比權威服務器更多的工作，因為很多響應不能直接從內存中找到結果，相反，它們需要與其它域名服務器通信，因此需要大量的網絡I/O。此外，開放式解析器容易遭受攻擊，如發送一些不能解析的全球，這增加了緩存丟失率，同時DoS攻擊會增加通信負載。如果解析器沒有正確配置集群，合理分配工作負載，可能也會帶來負面的性能影響。如數據包被丟掉，需要重傳，抵達域名服務器的請求必須排隊等。所有這些因素都會引起延遲。
因此，為DNS解析器提供大容量的I/O非常重要，包括處理可能的DoS攻擊，唯一有效的方法就是提供非常多的服務器，同時，增加服務器最重要的就是不能降低緩存命中率，這需要采用有效的負載均衡策略。
Google免費公共DNS服務器提速法寶二：共享緩存負載均衡
如果負載均衡配置不當，增加服務器反倒會降低緩存命中率，在一個常見的部署中，多臺服務器位于一臺負載均衡器背后，使用諸如循環這樣的簡單算法來分配請求，這樣做的結果是每臺服務器維護它們自己的獨立緩存，因此緩存內容是孤立的。如果每個請求根據通信情況被隨機分配，緩存丟失率將不斷增長，例如，對于那些長TTL重復查詢的域名，緩存丟失率會隨集群中服務器數量的增加而增長。
為了提高緩存命中率，最重要的是負載均衡，避免緩存分散在各個服務器上，目前有兩種方法：一是使所有服務器使用全局緩存，二是按域名將緩存分區，所有同一域名的查詢就會被定向到同一臺服務器。在Google公共DNS中，我們同時使用了這兩種技術，每臺服務器都共享一個小的全局緩存，包括最流行的域名，這些服務器負載均衡就很好控制了，如果這些緩存不能滿足查詢，它會根據域名將請求發給另一個服務器，所有相同域名的查詢都會發給同一臺服務器。
Google免費公共DNS服務器提速法寶三：域名預取技術
隨著互聯網規模的擴大，傳統解析器命中率有些限制，它們一般緩存的都是比較流行的域名，我們希望也能夠處理冷門的域名，在傳統DNS服務器上，由于這些冷門域名訪問次數較少，過不了多長時間就會過期，就會從緩存中清除。
為了實現這些目標，我們正在試驗域名預取技術，當前主要面臨兩大挑戰：
1、考慮其他域名服務器的限制。為了確保我們的預取技術不會給其它域名服務器帶來過多的負載，我們隊我們的傳出請求做了限制，確保其它服務器的容量不被用盡。
2、管理我們自己服務器的容量限制。由于我們的服務器沒有無限的內存和CPU，在挑選域名預取服務器時要謹慎。此外，為了保護緩存不被偽造的攻擊吃掉，我們將主要緩存分成主/次分區，并根據流量類型授予每個分區上的讀/寫權限。
為了最大限度使用固定域名服務器，我們需要權衡每個域名記錄的成本，不過要確定每個域名的成本是一項復雜的任務，因為我們想實現以下所有目標，其中一些是相互沖突的：
1、最小化緩存丟失。這意味著我們不需要預取流行的域名，因為考正常的用戶訪問流量足以保證它不被清除出緩存。
2、即使我們的服務器正在遭受拒絕服務攻擊，但仍然要為流行的域名提供服務在，這意味著我們需要預取流行的域名。
3、避免假域名污染攻擊，這意味著我們不能完全依靠域名來選擇流量。
4、保持選中的域名更新，我們須臾根據流行度，成本等因素調整候選域名。
域名選擇問題的復雜性使得它不能在線完成，因此我們將預取系統分成了兩部分：管道組件，它是一個外部運行的，脫機的，周期性的過程，它選擇域名提交到預取系統；另一個是運行時組件，定期根據它們的TTL窗口解析選中的域名。
管道組件綜合來自各個不同源的域名，主要是Google搜索索引和最近的Google公共DNS服務器日志，根據效益進行排列，效益是各種因素的結合，包括命中率、緩存丟失成本和知名度。管道然后參照TTL成本，重新對所有記錄進行排列，從頂部選擇所有域名，知道成本預算用盡，管道不斷更新選定的域名，運行時組件解析選中的域名記錄，并根據它們的TTL設置刷新它們。
Google免費公共DNS服務器提速法寶四：分布式DNS服務集群
對于封閉式解析器，不存在這個問題，但對于開放式解析器，服務器越接近用戶越好，他們在客戶端看到的延遲會更少，此外，足夠的地域覆蓋也是保證端到端低延遲的重要手段，域名服務器通常會返回優化后的結果，也就是說，如果一個內容提供商在全世界都托管了他們的鏡像站點，該提供商的域名服務器將會返回離訪問IP最近的IP地址。
Google公共DNS托管在全球的數據中心中，并使用選播路由將用戶轉向最近的數據中心。
注意，由于域名服務器根據解析器的IP地址而不是用戶的IP地址作為定位依據的，Google公共DNS服務器和其它開放式DNS服務有相同的限制：用戶可能不會被定向到本地DNS提供商的服務器。這可能導致某些網站瀏覽起來仍然很慢。
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