DNS: 因特网的目录服务

zhaoyuuu
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参考资料是《计网·自顶向下(第七版)》，第 2.4 节。

前言

人类能以多种方式来标识，在生活中大家喜欢用 “名字” 来标识，在登记酒店的时候用 “身份证号” 来标识...
因特网上的主机和人类一样，有多种（两种）方式来标识：

  1. 主机名 hostname
  2. IP地址 IP_address

DNS提供的服务

在主机的两种标识中，人们喜欢便于记忆的主机名方式，而路由器喜欢 定长的、有层次结构的IP地址。 自然地，我们需要一种能进行主机名到IP地址转换的目录服务，which is 域名解析系统（DNS Domain Name System） 的主要任务！

注意这里是主要任务，而不是全部任务，让我看看是哪个小傻瓜以为这就是DNS的全部功能？ ... 这个傻子就是我..

介绍一下DNS

DNS是：

  1. 一个由分层的DNS服务器（DNS server）实现的分布式数据库
  2. 一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议

DNS是应用层协议: 1. 使用客户-服务器模式运行在通信的端系统之间 2. 在端系统之间通过下面的端到端运输协议来传送DNS报文 与其他应用程序的显著不同是：DNS不是一个直接和用户打交道的应用，相反，DNS为“用户应用”及其他软件提供核心功能——主机名到IP的转换

  1. DNS协议运行在UDP之上，使用53号端口

因特网体系结构的复杂性大多位于网络的 “边缘”。DNS就是这种设计原理的一个典型范例，DNS通过采用位于网络边缘的客户和服务器，实现了关键的名字到IP的转换功能。

所以DNS都有哪些服务

总结放前面：

  1. 主机名到IP的转换
  2. 主机别名
  3. 邮件服务器别名
  4. 负载分配

可以看到，除了“耳朵都听出茧”的主机名到IP的转换外，DNS还提供了一些重要的服务，我将依次展开。

主机别名(host aliasing)

复杂的主机能拥有一个/多个别名。
例如，一台名为 relay1.west-coast.enterprise.com 的主机，可能有两个别名 enterprise.com 和 www.enterprise.com 。这种情况下，relay1.west-coast.enterprise.com 称为规范主机名。跟规范主机名相比，主机别名更好记忆。
应用程序可以调用DNS来获得主机别名对应的规范主机名以及主机的IP地址。

邮件服务器别名(mail server aliasing)

人们也希望电子邮箱地址好记忆，所以跟上面的主机别名差不多的，电子邮箱应用程序可以调用DNs来对别名进行解析，以获得该主机的规范主机名和IP。

负载分配(load distribution)

繁忙的站点会被分布在多台服务器上，每台服务器都有不同的IP，因此同一个规范主机名对应一个IP地址集合，DNS服务器中存储着这些IP。
当用户发出DNS请求的时候，DNS server 用这个IP集合进行响应，但在每个回答中循环这些地址次序。用户通常总是向IP地址排在最前面的地址发送HTTP请求，因此DNS就在这些服务器之间循环分配了负载。

DNS的循环同样可以用于邮件服务器

DNS工作机理概述

我们首先来假设下面这一场景：在因特网上只使用一个DNS服务器，该服务器包含有所有的映射。这种集中式的设计非常简单，但是如今因特网里有着数量巨大的主机，这种集中式设计会有以下四个问题：

  1. 单点故障（a single point of failure）。如果这个服务器崩溃，那么整个因特网都将瘫痪。
  2. 通信容量（traffic volume）。单个DNS服务器处理所有的DNS查询，恐怖的通信容量。
  3. 远距离的集中式数据库（distant centralized database）。肯定会出现的情况是：这个单个的服务器距离一些主机太远（可能是地球的另一侧），这将导致严重的时延。
  4. 维护（maintenance）。这个单个服务器不得不为所有的主机保留记录，导致中央数据库庞大，还要频繁添加新主机。

分布式、层次数据库

为了处理扩展性问题，DNS使用了大量的DNS服务器，它们以层次方式组织，并且分布在全世界范围内。
在DNS服务器的层次结构中，有三类DNS服务器：

  1. 根DNS服务器。有400多个根服务器遍及全世界，由13个不同的组织管理。根服务器提供TLD（顶级域）服务器的IP。
  2. 顶级域服务器。对于每个顶级域（com / org / edu /..）和所有国家的顶级域（uk / fr / jp /..），都有TLD服务器。TLD服务器提供了权威DNS服务器的IP。
  3. 权威DNS服务器。多数大学和大公司实现和维护它们自己基本和辅助（备份）的权威DNS服务器。

还有一类万万不可忽视的DNS服务器：本地DNS服务器，虽然严格来说不属于服务器的层次结构，但是它对于服务器的层次结构至关重要。每个ISP都有一台本地DNS服务器。

对于某居民ISP来说，本地DNS服务器可能就与主机在同一个局域网中。当主机发出DNS请求时，该请求被发往本地DNS服务器，它起着代理的作用，并将该请求转发到DNS服务器层次结构中。

下面是一个简单的例子：主机 cse.nyu.edu想知道主机gaia.cs.umass.edu的IP地址。请求主机、本地DNS 以及 各DNS服务器层次结构的交互如下图所示：
image.png

在本例中，为了获得一台主机名的映射，一共发送了8份DNS报文: 4份查询报文 + 4份回答报文。 我们假设TLD服务器知道用于主机的权威DNS服务器的IP地址，但这种假设并不总是正确的！如果TLD只是知道中间某个DNS服务器，该服务器依次才能知道权威服务器，那么将多发送起码2份报文。

递归查询： 上个例子里，请求主机和本地DNS服务器之间就是递归查询，即“直接告诉我最后结果”。
迭代查询： 上个例子中的其他请求是迭代查询，即“告诉我下一个DNS服务器的IP地址”。

DNS缓存

为了改善时延性能并减少在因特网上到处传输的DNS报文数量，DNS广泛使用了缓存技术。
例如，还是在上面的例子中，每当本地DNS服务器接收到一个回答，它能够缓存该回答的信息。缓存时常默认为两天，即两天之后将丢弃缓存的信息。

事实上，因为缓存，除了少数的DNS查询以外，根服务器被绕过了。

DNS记录和报文

所有DNS服务器存储了资源记录（Resource Record, RR），RR提供了主机名到IP的映射。
RR是一个包含了如下字段的四元组：( Name, Value, Type, TTL )
TTL是该记录的生存时间，它决定了该记录应当从缓存中删除的时间。
Name 和 Value 的值取决于 Type ：

  • type = A。name是主机名，value是该主机名对应的IP。（标准的映射）
  • type = NS。name是个域（foo.com），value是知道如何获得该域中主机IP和权威DNS服务器的主机名。该记录用于沿着查询链来路由DNS查询。
  • type = CNAME。value是别名为 Name 的主机对应的规范主机名。
  • type = MX。value是别名为 Name 的邮件服务器对应的规范主机名。

DNS报文

略（暂时）

在DNS数据库中插入记录

略（暂时）

最后，DNS安全吗？ 答案是：安全，十分健壮。（跟DNS的缓存机制关系密切）

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