DNS 原理入門，你學(xué)會(huì)了嗎？
概述
DNS 是互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議之一。不管是上網(wǎng)瀏覽，還是編程開(kāi)發(fā)，都需要了解一點(diǎn)它的知識(shí)。
本文詳細(xì)介紹 DNS 的原理，以及如何運(yùn)用工具軟件觀察它的運(yùn)作。我的目標(biāo)是，讀完此文后，你就能完全理解 DNS。
一、DNS 是什么？
DNS（Domain Name System 的縮寫）的作用非常簡(jiǎn)單，就是根據(jù)域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的電話本。
舉例來(lái)說(shuō)，如果你要訪問(wèn)域名 math.stackexchange.com，首先要通過(guò) DNS 查出它的IP地址是 151.101.129.69。
如果你不清楚為什么一定要查出IP地址，才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，建議先閱讀我寫的 《互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議入門》[1]。
二、查詢過(guò)程
雖然只需要返回一個(gè)IP地址，但是 DNS 的查詢過(guò)程非常復(fù)雜，分成多個(gè)步驟。
工具軟件 dig 可以顯示整個(gè)查詢過(guò)程。
上面的命令會(huì)輸出 6 段信息。
如果不想看到這么多內(nèi)容，可以使用 +short 參數(shù)
上面命令只返回 math.stackexchange.com 對(duì)應(yīng)的 4 個(gè) IP 地址（即A記錄）。
三、DNS服務(wù)器
下面我們根據(jù)前面這個(gè)例子，一步步還原，本機(jī)到底怎么得到域名 math.stackexchange.com 的IP地址。
首先，本機(jī)一定要知道 DNS 服務(wù)器的IP地址，否則上不了網(wǎng)。通過(guò)DNS服務(wù)器，才能知道某個(gè)域名的IP地址到底是什么。
查看 DNS 服務(wù)器配置
DNS 服務(wù)器的IP地址，有可能是動(dòng)態(tài)的，每次上網(wǎng)時(shí)由網(wǎng)關(guān)分配，這叫做 DHCP 機(jī)制；也有可能是事先指定的固定地址。 Linux系統(tǒng)里面，DNS 服務(wù)器的 IP 地址保存在 /etc/resolv.conf 文件。
上例的 DNS 服務(wù)器是 192.168.1.253，這是一個(gè)內(nèi)網(wǎng)地址。有一些公網(wǎng)的DNS服務(wù)器，也可以使用，其中最有名的就是 Google 的 8.8.8.8 和 Level 3 的 4.2.2.2。
本機(jī)只向自己的 DNS 服務(wù)器查詢，dig 命令有一個(gè)@參數(shù)，顯示向其他 DNS 服務(wù)器查詢的結(jié)果。
上面命令指定向 DNS 服務(wù)器 4.2.2.2 查詢。
四、域名的層級(jí)
DNS 服務(wù)器怎么會(huì)知道每個(gè)域名的 IP 地址呢？答案是分級(jí)查詢。
請(qǐng)仔細(xì)看前面的例子，每個(gè)域名的尾部都多了一個(gè)點(diǎn)。
比如，域名 math.stackexchange.com 顯示為 math.stackexchange.com.。這不是疏忽，而是所有域名的尾部，實(shí)際上都有一個(gè)根域名。
舉例來(lái)說(shuō)，www.example.com 真正的域名是 www.example.com.root ，簡(jiǎn)寫為 www.example.com. 。因?yàn)椋蛎?root 對(duì)于所有域名都是一樣的， 所以平時(shí)是省略的。
根域名的下一級(jí)，叫做 頂級(jí)域名（top-level domain，縮寫為 TLD），比如 .com、.net；再下一級(jí)叫做 次級(jí)域名（second-level domain，縮寫為 SLD）， 比如 www.example.com 里面的 .example，這一級(jí)域名是用戶可以注冊(cè)的；再下一級(jí)是 主機(jī)名（host），比如 www.example.com 里面的 www，又稱為 三級(jí)域名， 這是用戶在自己的域里面為服務(wù)器分配的名稱，是用戶可以任意分配的。
總結(jié)一下，域名的層級(jí)結(jié)構(gòu)如下。
主機(jī)名.次級(jí)域名.頂級(jí)域名.根域名
五、根域名服務(wù)器
DNS 服務(wù)器根據(jù)域名的層級(jí)，進(jìn)行分級(jí)查詢。
需要明確的是，每一級(jí)域名都有自己的 NS 記錄，NS 記錄指向該級(jí)域名的域名服務(wù)器。這些服務(wù)器知道下一級(jí)域名的各種記錄。
所謂 分級(jí)查詢，就是從根域名開(kāi)始，依次查詢每一級(jí)域名的 NS 記錄，直到查到最終的 IP 地址，過(guò)程大致如下。
1. 從 "根域名服務(wù)器" 查到 "頂級(jí)域名服務(wù)器"的 NS 記錄和 A 記錄（IP 地址）
2. 從 "頂級(jí)域名服務(wù)器" 查到 "次級(jí)域名服務(wù)器"的 NS 記錄和 A 記錄（IP 地址）
3. 從 "次級(jí)域名服務(wù)器" 查到 "主機(jī)名"的 IP 地址
仔細(xì)看上面的過(guò)程，你可能發(fā)現(xiàn)了，沒(méi)有提到 DNS 服務(wù)器怎么知道 "根域名服務(wù)器" 的 IP 地址。 回答是 "根域名服務(wù)器" 的 NS 記錄和 IP 地址一般是不會(huì)變化的， 所以內(nèi)置在 DNS 服務(wù)器里面。
下面是內(nèi)置的根域名服務(wù)器 IP 地址的一個(gè) 例子 [2]
上面列表中，列出了根域名（.root）的三條 NS 記錄 A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET 和 C.ROOT-SERVERS.NET， 以及它們的 IP 地址（即 A 記錄）198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。
另外，可以看到所有記錄的 TTL 值是 3600000 秒，相當(dāng)于 1000 小時(shí)。也就是說(shuō)，每 1000 小時(shí)才查詢一次根域名服務(wù)器的列表。
目前，世界上一共有 13 組根域名服務(wù)器，從 A.ROOT-SERVERS.NET 一直到 M.ROOT-SERVERS.NET。
六、分級(jí)查詢的實(shí)例
dig 命令的 +trace 參數(shù)可以顯示 DNS 的整個(gè)分級(jí)查詢過(guò)程。
上面命令的第一段列出根域名.的所有 NS 記錄，即所有根域名服務(wù)器。
根據(jù)內(nèi)置的根域名服務(wù)器 IP 地址，DNS 服務(wù)器向所有這些 IP 地址發(fā)出查詢請(qǐng)求，詢問(wèn) math.stackexchange.com 的頂級(jí)域名服務(wù)器 com.的 NS 記錄。 最先回復(fù)的根域名服務(wù)器將被緩存，以后只向這臺(tái)服務(wù)器發(fā)請(qǐng)求。
接著是第二段。
上面結(jié)果顯示.com 域名的 13 條 NS 記錄，同時(shí)返回的還有每一條記錄對(duì)應(yīng)的 IP 地址。
然后，DNS 服務(wù)器向這些頂級(jí)域名服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求，詢問(wèn) math.stackexchange.com 的次級(jí)域名 stackexchange.com 的 NS 記錄。
上面結(jié)果顯示 stackexchange.com 有四條 NS 記錄，同時(shí)返回的還有每一條 NS 記錄對(duì)應(yīng)的 IP 地址。
然后，DNS 服務(wù)器向上面這四臺(tái) NS 服務(wù)器查詢 math.stackexchange.com 的主機(jī)名。
上面結(jié)果顯示，math.stackexchange.com 有 4 條 A 記錄，即這四個(gè) IP 地址都可以訪問(wèn)到網(wǎng)站。并且還顯示， 最先返回結(jié)果的 NS 服務(wù)器是 ns-cloud-d2.googledomains.com，IP 地址為 216.239.34.109。
七、NS 記錄的查詢
dig 命令可以單獨(dú)查看每一級(jí)域名的 NS 記錄。
+short 參數(shù)可以顯示簡(jiǎn)化的結(jié)果
八、DNS 的記錄類型
域名與 IP 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為 "記錄"（record）。根據(jù)使用場(chǎng)景，"記錄"可以分成不同的類型（type），前面已經(jīng)看到了有 A 記錄和 NS 記錄。
常見(jiàn)的 DNS 記錄類型如下。
- ? A：地址記錄（Address），返回域名指向的 IP 地址。
- ? AAAA: 記錄是域名到 IPV6 地址。
- ? NS：域名服務(wù)器記錄（Name Server），返回保存下一級(jí)域名信息的服務(wù)器地址。該記錄只能設(shè)置為域名，不能設(shè)置為 IP 地址。
- ? MX：郵件記錄（Mail eXchange），返回接收電子郵件的服務(wù)器地址。
- ? CNAME：規(guī)范名稱記錄（Canonical Name），返回另一個(gè)域名，即當(dāng)前查詢的域名是另一個(gè)域名的跳轉(zhuǎn)，詳見(jiàn)下文。
- ? PTR：逆向查詢記錄（Pointer Record），只用于從 IP 地址查詢域名，詳見(jiàn)下文。
一般來(lái)說(shuō)，為了服務(wù)的安全可靠，至少應(yīng)該有兩條 NS 記錄，而 A 記錄和 MX 記錄也可以有多條，這樣就提供了服務(wù)的冗余性，防止出現(xiàn)單點(diǎn)失敗。
CNAME 記錄主要用于域名的內(nèi)部跳轉(zhuǎn)，為服務(wù)器配置提供靈活性，用戶感知不到。舉例來(lái)說(shuō)，facebook.github.io 這個(gè)域名就是一個(gè) CNAME 記錄。
上面結(jié)果顯示，facebook.github.io 的 CNAME 記錄指向 github.map.fastly.net。也就是說(shuō)，用戶查詢 facebook.github.io 的時(shí)候， 實(shí)際上返回的是 github.map.fastly.net 的 IP 地址。這樣的好處是，變更服務(wù)器 IP 地址的時(shí)候，只要修改 github.map.fastly.net 這個(gè)域名就可以了， 用戶的 facebook.github.io 域名不用修改。
由于 CNAME 記錄就是一個(gè)替換，所以域名一旦設(shè)置 CNAME 記錄以后，就不能再設(shè)置其他記錄了（比如 A 記錄和 MX 記錄），這是為了防止產(chǎn)生沖突。 舉例來(lái)說(shuō)，foo.com 指向 bar.com，而兩個(gè)域名各有自己的 MX 記錄，如果兩者不一致，就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。由于頂級(jí)域名通常要設(shè)置 MX 記錄， 所以一般不允許用戶對(duì)頂級(jí)域名設(shè)置 CNAME 記錄。
PTR 記錄用于從 IP 地址反查域名。dig 命令的 -x 參數(shù)用于查詢 PTR 記錄。
上面結(jié)果顯示，192.30.252.153 這臺(tái)服務(wù)器的域名是 pages.github.com。
逆向查詢的一個(gè)應(yīng)用，是可以防止垃圾郵件，即驗(yàn)證發(fā)送郵件的 IP 地址，是否真的有它所聲稱的域名。
dig 命令可以查看指定的記錄類型。
九、其他 DNS 工具
除了 dig，還有一些其他小工具也可以使用。
（1）host 命令
host 命令可以看作 dig 命令的簡(jiǎn)化版本，返回當(dāng)前請(qǐng)求域名的各種記錄。
host 命令也可以用于逆向查詢，即從 IP 地址查詢域名，等同于 dig -x 。
（2）nslookup 命令
nslookup 命令用于互動(dòng)式地查詢域名記錄。
（3）whois 命令
whois 命令用來(lái)查看域名的注冊(cè)情況。
十、參考鏈接
- ? DNS: The Good Parts, by Pete Keen[3]
- ? DNS 101, by Mark McDonnell[4]
轉(zhuǎn)載聲明
本文轉(zhuǎn)載自 DNS 原理入門[5]，筆者在文字描述和圖片排版上略作修改。
小結(jié)
下面是筆者補(bǔ)充的部分，簡(jiǎn)述下 DNS 的流程。
圖片來(lái)源: https://aws.amazon.com/cn/route53/what-is-dns/
- ? 瀏覽器輸入域名，如 www.example.com
- ? 查詢當(dāng)前硬件的緩存（host 文件 或?yàn)g覽器緩存）中是否存在該域名對(duì)應(yīng)的記錄，如果存在直接使用，如果不存在則進(jìn)入后續(xù)流程
- ? 向運(yùn)營(yíng)商的 DNS 服務(wù)器發(fā)起 DNS 解析的請(qǐng)求，一般稱運(yùn)營(yíng)商的 DNS 服務(wù)器為 Local DNS
- ? Local DNS 會(huì)查詢緩存記錄 (內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)請(qǐng)求端來(lái)說(shuō)是透明的)
- ? Local DNS 如果沒(méi)有緩存，會(huì)把域名從右往左掃描，依次請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的服務(wù)器
- ? 對(duì)于域名 www.example.com，先去請(qǐng)求根域名服務(wù)器，假設(shè)根域名服務(wù)器返回了管理 .com 域的服務(wù)器，名字為 TLD
- ? Local DNS 請(qǐng)求管理 TLD 服務(wù)器
- ? 一般來(lái)說(shuō)，TLD 返回的記錄是一條 CNAME 記錄，這里假設(shè)域名的 CNAME 解析到了 Amazon
- ? Local DNS 請(qǐng)求 Amazon 的 DNS 服務(wù)器 (一般稱之為權(quán)威服務(wù)器，權(quán)威服務(wù)器是 Amazon 自己構(gòu)建的)
- ? Amazon 返回 www.example.com 對(duì)應(yīng)的服務(wù)器 IP 地址
- ? Local DNS 緩存這個(gè) IP 地址，并且返回給瀏覽器
- ? 瀏覽器和返回的 IP 地址建立 TCP 連接，發(fā)送 HTTP 報(bào)文
如何自建 DNS 服務(wù)器
- ? 在自己的服務(wù)器上 (例如 10.0.0.1) 構(gòu)建一個(gè) DNS 服務(wù) (可以理解為一個(gè)軟件，支持 DNS 協(xié)議，就像 Nginx 支持 HTTP 協(xié)議)
- ? 在域名系統(tǒng)管理后臺(tái)，新增一條 CNAME 記錄，將域名的解析轉(zhuǎn)交給 10.0.0.1
- ? 10.0.0.1 可以自定義返回各個(gè)域名對(duì)應(yīng)的 IP 地址，實(shí)現(xiàn)自定義 DNS 服務(wù)器
擴(kuò)展閱讀
- ? 為什么 DNS 同時(shí)使用 TCP 和 UDP[6]
- ? what-is-dns[7]
引用鏈接
[1]? 《互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議入門》: ??https://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html??
[2]? 例子 : ??http://www.cyberciti.biz/faq/unix-linux-update-root-hints-data-file/??
[3]? DNS: The Good Parts, by Pete Keen: ??https://www.petekeen.net/dns-the-good-parts??
[4]? DNS 101, by Mark McDonnell: http://www.integralist.co.uk/posts/dnsbasics.html
[5] DNS 原理入門: ??http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html??
[6] 為什么 DNS 同時(shí)使用 TCP 和 UDP: https://scoolor.github.io/2018/11/10/dns-udp-tcp/
[7] what-is-dns: https://www.cloudflare.com/zh-cn/learning/dns/what-is-dns/
