DNS的秘密(1) 工作原理

传达室老大爷
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这世上本没有DNS，后来网站多了，也就有了DNS。

DNS协议

DNS——Domain Name System 域名系统，在网络世界充当“指针”的角色。它的功能很直接：从域名查询到IP地址。

在互联网刚出现的时候，还没有DNS一说，有专人把网址的IP地址记录到txt文本，供使用者去搜索。后来网站越来越多，TXT登记和查询的效率都太低了，没法维护了，才出现了DNS的雏形。

DNS是通过各个散落世界各地的Name Server域名服务器按照DNS protocol进行工作的。下图是DNS的协议栈：

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  1. 一般认为DNS协议位于应用层；
  2. DNS查询消息，信息量小，格式固定，所以在传输层优先使用UDP协议进行发送，这样做的好处是传输速率更快！只有在无响应情况下才会使用TCP；
  3. DNS服务器默认端口是53，客户端端口随机；
  4. DNS协议采用的是和HTTP类似的C/S模式下的请求-应答模型，即客户端向服务器发起查询请求，服务器进行应答

来看一个真实的DNS请求-应答消息：

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  • 客户端向DNS服务器的53端口发送请求，查询"activity.windows.com”的A地址(IPV4地址),可以看到使用的是UDP传输

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  • 服务器响应，同样使用UDP传输，客户都会对收到的信息进行校验；
  • 消息还有2个answers，一个是告诉客户端，"activity.windows.com”实际指向的是另一个域名"activity-geo.trafficmanager.net"(CName)；另一个是把真实域名的IP地址返回给了客户端，完成响应；
  • 关于消息中的type A, type CName，是DNS的记录类型(record type)，我在下文会详细说明

DNS分级

要说清楚DNS是如何工作的，让我们先来解析一个网址：

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  • URL：上图是我们平时输入的网址，它实际上是一个URL(Uniform Resouce Locator)，统一资源定位符，是用来标识互联网上的资源位置。我们知道网页其实就是一个HTML文件，所以打开这个网址，就是打开这个地址对应的HTML文件。

  • data-flair.training ：就是我们向域名注册商申请的域名。它包含两个部分，TLD（顶级域名）和SLD（次级域名）。“.training"是顶级域TLD(top level domain)，是我们注册域名时选择的，常见的顶级域名还包括国家码/com/net/org等；"data-flair"，又称为次级域名(second-level domain，SLD)，是我们私有的，从属于选择的顶级域(TLD)；

  • www： 这是我们的subdomain(子域名)，子域名对应具体的host, 这个子域名不需要向域名注册商申请，可以由我们自行指定。

  • 域名的等级：从顶级域到子域，我们能看出域名是有层级的。即主机名(host).次级域名(SLD，也就是我们所说的域名).顶级域名(TLD).根域名(root) # 即host.sld.tld.root如下图所示：

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  • 根域名: 其实我们的网址最后都有一个句号"."，这就是根域名，因为根域名对所有域名都一样，所以都被省略了。根域名有专门的根DNS服务器进行管理，这个我们后面在讲anycast时会专门介绍。

  • DNS的等级：既然域名有等级，那么登记和管理域名的DNS也有了相应的等级

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查询方式

DNS的分级机制是为了应对越来越多的域名与查询请求，那么我们在查询一个域名时，为了加快查询效率并降低DNS服务器压力，也需要遵循两个原则：

  1. 分级查询
    • 就是从根域名开始，依次查询每一级域名的DNS记录，直到查到最终的IP地址；
    • 每一级的域名服务器都知道它下一级的域名记录，比如.com域名服务器知道google.com的域名服务器地址，由此类推，最终查到host的IP地址；

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  1. 就近原则：
    • 客户端首先向本地DNS(resolver)发送查询请求，如果本地DNS有对应的缓存，则直接应答；
    • 如果本地DNS没有对应结果，则通过resolver向距离最近的根节点发送查询请求，并进行递归查询，直到返回最终结果；

基于此，DNS一般支持两种查询方式：递归查询recursive与迭代查询iterative；

两者的区别在于执行查询的主体：如果是由本地Name Server执行查询并返回给客户端，则为递归查询；如果是由客户端直接向不同级别的Name Server执行查询，则为迭代查询；

一般来说，都采用递归查询方式，因为两个原因：

  1. 本地name server性能更强，查询速度更快；
  2. 查询到结果后，可以缓存，缓存结果可以供本地所有客户端使用，效率更高；

递归查询

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我们分步讲解一下：

  1. 客户端浏览器输入一个网址之后，会先向本机的DNS缓存和host文件发起查询，如果有相应记录，则马上返回对应IP地址，查询结束。

    • 需要注意一点，这个返回结果不是权威的(non-authoritative)，可能会导向错误的IP地址
    • 这里应用到的是浏览器和系统自带的DNS服务，可以用 ipconfig/displaydns来查看本地的缓存，并用ipconfig/flushdns 命令来清楚本地缓存； image.png

  2. 如果本地缓存没有结果，则客户端会按照“就近原则”，向ISP指定的本地Name server，也就是我们上一节说的LDNS发起查询，如果LDNS有结果则返回，查询结束；如果没有结果，则LDNS会按照“分级查询”原则，向根域名服务器发起查询

  3. 根域名会返回TLD域名的记录和IP，然后LDNS会向TLD服务器发起查询，依次类推，最终获得目标host的IP地址，并返回给客户端，同时讲结果保存在LDNS本地，保存时间为TTL(timee to live)

以上就是DNS协议的关键内容和工作原理，我们下一篇来详细看一下DNS的查询过程。

感谢阅读，如有不准确和错误之处请留言指正，我会立即修正，感谢！



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参考资料：

《How to Choose a Perfect Domain Name – SEO Best Practices》 Data Flair data-flair.training/blogs/seo-d…

《云解析 DNS》 阿里云 help.aliyun.com/document_de…

《DNS解析的工作原理及递归与迭代的区别》 WytheOnly blog.csdn.net/wytheonly/a…

《DNS 安全问题研究》 郭巨侠 zhuanlan.zhihu.com/p/345791057

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