简单聊聊DNS

本文主要内容源自 计算机网络（原书第7版）

本文是笔者在学习的过程中整理的内容

1. DNS的功能

DNS的主要作用我们都知道是将域名解析为IP地址，这是因为我们人类往往擅长记忆一些名字和字符，而不擅长冗长的数字，但实际的网路连接和路由中又需要具体的IP地址而非无规律的字符。

但除此以外，DNS还具备如下功能：

  1. 主机别名。这主要靠DNS的CNAME记录实现（关于CNAME下面我们会说），比如你现在的服务器域名是c6282k4786.qficp.xyz，这很长很难记住，这时你想换个更简单的域名如coderzoe.com，因为简单的域名更利于你网站的推广，但你又不想老的域名失效（比如有些老用户是使用老域名访问的），此时就可以做到将coderzoe.com域名指向c6282k4786.qficp.xyz。
  2. 解析邮箱服务。我们常使用的如xxx@qq.com或者xxx@163.com其中qq.com和163.com都是邮箱服务器的域名，这些域名也需要解析为IP地址，因此DNS除了解析Web端的域名还会解析邮箱的域名。这主要靠DNS的MX记录实现（关于MX我们下面也会说）。事实上MX记录允许一个公司的邮件服务器和Web服务器使用相同的域名（如网站https://qq.com和邮箱xxx@qq.com）。
  3. 负载均衡。一个域名可以对应多个IP地址，当客户端向DNS服务器发起某一域名的查询请求时，如果这个域名对应一个IP集合，那么DNS服务器往往会将这整个集合响应给客户端，但在每个响应中循环这些地址次序。因为客户通常总是向IP地址排在最前面的服务器发送HTTP请求报文，所以 DNS就在这些IP地址集对应的服务器集之间循环实现了负载均衡。

2. DNS记录

本文不详细展开DNS的报文，只简单讲下DNS记录。DNS记录大致可以概括为一个四元组：

（Name，Value，Type，TTL）

其中TTL是当前记录的有效时间，我们暂时忽略掉。Type是DNS的类型，Name和Value的取值取决于Type，目前DNS主要有4种Type：

  • Type = A，往往叫A记录。它的Name是域名而Value是该域名对应的IP地址。比如(baidu.com, 172.83.159.98, A)就是一条A记录，它最根本的作用就是提供了域名和IP地址的映射关系，当我们向DNS请求baidu.com的IP地址时，DNS服务器会响应这样一条A记录给我们。
  • Type = CNAME，往往叫CNAME记录。它的Name是域名，而Value也是个域名，比如(coderzoe.com, baidu.com, CNAME)，我将coderzoe.com域名指向baidu.com，这样大家输入https://coderzoe.com响应的就是百度的网站（如果百度服务器未做拦截）。CNAME之所以生效的原因是当客户端向DNS请求coderzoe.com的IP时，DNS会先发现一个CNAME记录(coderzoe.com, baidu.com, CNAME)，然后DNS服务器再查询baidu.com，这时会发现一个(baidu.com, 172.83.159.98, A)的A记录，最后将这个A记录响应给客户端。

  • Type = MX，往往叫MX记录。MX记录主要用于邮箱服务器的解析，它的Name是邮箱的域名，而Value也是个域名。比如(qq.com, mx1.qq.com, MX)。假设我们想通过QQ邮箱xxx@qq.com发送邮件，邮箱客户端会向DNS服务器请求qq.comMX记录，DNS服务器收到请求后，会将(qq.com, mx1.qq.com, MX)记录返回给邮箱客户端，邮箱客户端再向DNS服务器发起mx1.qq.com的A记录请求，DNS服务器会将(mx1.qq.com, 113.96.210.17, A)记录返回给客户端，这样客户端就知道了QQ邮箱服务器的IP地址。

    我们知道qq.com既是TX公司的邮箱域名也是它的Web域名，那当我们向DNS服务器发起qq.com的请求时，DNS服务器要按邮箱解析还是按Web解析呢？这两种解析情况往往还会对应不同的服务器。为了区别这两种情况，请求客户端会带上自己想要的DNS类型，当进行Web访问的时候，请求就是qq.com+A记录；而进行邮件发送时，请求客户端会发送qq.com+MX记录，得到MX记录后再向DNS发送一次A记录请求，最终得到邮箱服务器IP。

  • Type = NS，往往叫NS记录。NS记录的主要作用是指引DNS的查询路径，告诉客户端去哪里进一步获取查询域的信息。这主要与DNS的工作原理有关，我们来详细的讲一下。

3. DNS工作原理

我们在上文讲到DNS服务器的主要功能是将域名解析为IP地址。为阐述DNS的工作原理，我们假设DNS采用极其简单的一种设计：在互联网上只有一台DNS服务器，且这台服务器上存储了所有的域名映射规则。当我们通过域名浏览网页或者发送邮件的时候，我们的客户端都会向这台服务器发送请求，最终也都能从这台服务器上得到响应。但很可惜，这是不现实的，因为当今的互联网规模已经十分巨大，没有任何一台单体服务器可以处理如此多的规则与如此频繁的请求。且网络的响应时间与物理距离密切相关，距离这台中心DNS服务器较远的客户端响应延迟会更久，用户体验也会更差。

现实中的DNS采用分布式的层次设计，其架构如下图所示：

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  • 根DNS服务器：存储顶级域名与顶级域DNS服务器关系的DNS服务器。其中顶级域名就是我们域名的最后那一部分，如.com、.cn、.edu等。全球共有400多个根DNS服务器。
  • 顶级域DNS服务器：存储当前顶级域名下的域名与权威DNS服务器关系的DNS服务器。如.com顶级域名DNS服务器存储了baidu.com域名的权威DNS服务器的信息。
  • 权威DNS服务器：我们之前讲的DNS A记录、CNAME记录和MX记录等都存储在权威DNS服务器上。如(baidu.com, 172.83.159.98, A)这一记录就存储在一个权威DNS服务器上。

除此以外，这里还有一个十分重要的DNS服务器：本地DNS服务器。每个ISP（如一个小区或者一个机构的ISP）都有一台本地DNS服务器，当我们的电脑接入ISP时，ISP除了可以为当前电脑分配一个IP地址外，还会为其配置本地DNS服务器的IP地址（通过DHCP协议）。

本地DNS的主要功能是代理我们的客户端发请求和缓存DNS记录，我们以一个例子来解释：

我们先假设现在你的电脑和你连接的本地DNS服务器上没有任何DNS记录的缓存。你此刻想通过浏览器浏览https://baidu.com，当你输入网址按下回车的时候，整个请求流程如下：

  1. 你的电脑会作为客户端向本地DNS服务器发起请求，本地DNS服务器收到请求后，会直接向根DNS发起请求，向它询问baidu.com的DNS信息。
  2. 根DNS收到请求后，查询自己存储的信息，会向本地DNS服务器响应两条DNS记录：一条是NS记录(com, b.gtld-servers.net, NS)另一条是A记录(b.gtld-servers.net, 192.33.14.30, A)。这代表：虽然我不知道baidu.com的具体DNS信息，但我知道存储顶级域名.com信息的DNS服务器，这个服务器是顶级域DNS服务器b.gtld-servers.net，它的IP地址是192.33.14.30，你可以问下它。
  3. 本地DNS服务器收到响应后再向顶级域DNS服务器192.33.14.30发起请求，查询baidu.com的DNS信息。
  4. 顶级域服务器192.33.14.30收到请求后，查询自己存储的信息，向本地DNS服务器响应两条DNS记录，一条是NS记录(baidu.com, dns.baidu.com, NS)，另一条是A记录(dns.baidu.com, 110.242.68.134, A)。这代表：虽然我不知道baidu.com的具体DNS信息，但我知道你可以问下权威DNS服务器dns.baidu.com，它应该知道，它的IP地址是110.242.68.134。
  5. 本地DNS服务器收到响应后再向权威DNS服务器110.242.68.134发起请求，查询baidu.com的DNS信息。
  6. 权威DNS服务器110.242.68.134收到请求后，查询自己存储的信息，向本地DNS服务器响应一条A记录(baidu.com, 172.83.159.98, A)
  7. 本地DNS服务器收到响应后将A记录(baidu.com, 172.83.159.98, A)再响应给我们的浏览器客户端，至此我们的客户端得到了baidu.com的IP地址是172.83.159.98。就可以使用这个IP地址做网络连接了。

可以看到上述整个流程中本地DNS服务器分别发了三次baidu.com的DNS请求，请求的服务器层级由根DNS到.com顶级域DNS，再到包含baidu.com的权威DNS服务器。通过这样一层层的迭代查找，我们可以一步步精确的定位到存储baidu.com域名详细DNS信息的具体服务器。我们也可以看到NS记录的目的是指引本地DNS服务器查询的路径，告诉本地DNS服务器想进一步获取baidu.com的信息要去哪个服务器。

上述流程中还存在两个缓存，本地电脑的缓存和本地DNS的缓存：

  1. 当你的浏览器收到baidu.com的IP地址后，会将这一信息缓存起来，后续我们再访问baidu.com的时候就不必继续请求本地DNS了。
  2. 本地DNS会缓存上述所有的查询过程信息。这样当与你连接同一本地DNS服务器的其他用户想访问baidu.com，本地DNS服务器可以直接响应，而无需再请求其他层次的DNS服务器。或者当其他用户想访问qq.com的时候，本地DNS服务器已经知道.com顶级域的IP地址，无需再向根DNS服务器获取，可以直接向.com顶级域DNS服务器查询qq.com的信息。

DNS缓存不仅改善了请求的时延性能，还有效地减少了在互联网上不必要的DNS请求，从而降低了网络流量和服务器负载。

最后修改：2023 年 09 月 02 日
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