第14章 DNS：域名系统

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本章介绍DNS协议，包括DNS的作用、域名空间、报文格式、查询方式和高速缓存等。

14.1 引言

DNS的作用

DNS（Domain Name System）：

域名系统
把域名转换成IP地址
也可以反向，IP转域名
分布式数据库
应用层协议

DNS把域名解析成IP地址。

为什么需要DNS

为什么需要DNS：

IP地址不好记
域名好记
需要一个系统把域名转成IP
而且要分布式，可扩展

没有DNS会怎样：

只能记IP地址
很难记
IP变了就找不到了

DNS让我们能用好记的域名。

DNS的特点

DNS的特点：

分布式
- 不是一个地方存所有数据
- 分布在很多服务器上
- 可扩展
层次化
- 域名是层次的
- 从右到左越来越高级
- 根 → 顶级域 → 二级域 → …
缓存
- 查询结果缓存
- 提高效率
- 减少查询
冗余
- 多个服务器
- 一个挂了还有其他的

DNS是分布式、层次化的。

本章讨论的内容

本章讨论的内容：

DNS域名空间
DNS报文格式
递归查询和迭代查询
DNS缓存
反向查询
DNS服务器

本章介绍DNS协议。

14.2 DNS域名空间

域名的层次

域名的层次结构：

从右到左
点分隔
最右边是顶级域

例子：www.baidu.com

com：顶级域
baidu：二级域
www：三级域（主机名）

域名是层次化的。

根域

根域（Root）：

最顶层
用点表示
根域名服务器
全球13组根服务器

根服务器：

A到M，13组
每组有很多镜像
全球分布
知道所有顶级域的服务器

根是最顶层。

顶级域

顶级域（TLD, Top Level Domain）：

根下面的一级
分为几类：

常见顶级域：

类型	例子	说明
通用顶级域	com, org, net, edu, gov	通用用途
国家顶级域	cn, us, jp, uk	国家/地区
新通用顶级域	xyz, online, shop	新的

顶级域有很多种。

二级域及以下

二级域：

顶级域下面
比如baidu.com
通常是一个组织的域名

三级及以下：

二级域下面
比如www.baidu.com
可以有很多级
由组织自己管理

下面的层级由组织自己管理。

完全限定域名

完全限定域名（FQDN, Fully Qualified Domain Name）：

完整的域名
最后有个点
比如www.baidu.com.
表示从根开始的完整路径

为什么：

明确是完整的
不是相对的

FQDN是完整的域名。

14.3 DNS报文格式

DNS报文格式

DNS报文格式：

+-------------------+
|       首部        |  12字节
+-------------------+
|       问题        |  查询的问题
+-------------------+
|       答案        |  答案记录
+-------------------+
|       授权        |  授权服务器
+-------------------+
|       附加        |  附加信息
+-------------------+

DNS报文有五个部分。

DNS首部

DNS首部（12字节）：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          标识                  |QR| Opcode |AA|TC|RD|RA|  Z  |RCODE|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        问题数                  |         答案数               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        授权数                  |         附加数               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

首部字段：

标识：16位，匹配请求和响应
QR：1位，0=查询，1=响应
Opcode：4位，操作类型，0=标准查询
AA：1位，权威回答
TC：1位，截断
RD：1位，期望递归
RA：1位，可用递归
Z：3位，保留
RCODE：4位，响应码，0=无错误
问题数：16位，问题部分的数量
答案数：16位，答案部分的数量
授权数：16位，授权部分的数量
附加数：16位，附加部分的数量

DNS首部12字节，有很多字段。

问题部分

问题部分：

查询的问题
包含：
- 查询名：要查的域名
- 查询类型：A, MX, NS等
- 查询类：通常是IN（互联网）

常见查询类型：

类型	说明
A	IPv4地址
AAAA	IPv6地址
NS	域名服务器
CNAME	规范名
MX	邮件交换
PTR	指针（反向查询）
TXT	文本
SOA	起始授权
ANY	所有类型

问题部分包含查询的内容。

资源记录

资源记录（RR, Resource Record）：

答案、授权、附加部分都是RR
格式一样

RR格式：

域名：查询的域名
类型：记录类型
类：通常IN
TTL：生存时间，缓存多久
数据长度：数据的长度
数据：具体数据

资源记录是DNS的基本数据单元。

14.4 DNS查询

两种查询方式

两种查询方式：

递归查询（Recursive Query）
- 服务器替你查
- 查完给你最终结果
- 客户端简单
- 服务器负担重
迭代查询（Iterative Query）
- 服务器告诉你下一步问谁
- 你自己去问下一个
- 客户端复杂
- 服务器负担轻

递归和迭代两种查询方式。

递归查询

递归查询过程：

客户端问本地DNS服务器
- www.baidu.com的IP是多少？
本地DNS服务器替客户端查
- 从根开始查
- 一步步查下来
- 查到最终结果
本地DNS服务器把结果给客户端
- 给你，这是IP

特点：

客户端简单，只问一次
服务器要做所有工作
通常客户端到本地DNS是递归

递归查询服务器替你查完。

迭代查询

迭代查询过程：

本地DNS问根服务器
- www.baidu.com的IP是多少？
- 根服务器：我不知道，你去问com的服务器
本地DNS问com服务器
- www.baidu.com的IP是多少？
- com服务器：我不知道，你去问baidu.com的服务器
本地DNS问baidu.com服务器
- www.baidu.com的IP是多少？
- baidu服务器：是x.x.x.x
本地DNS拿到结果

特点：

每次问一个
服务器告诉你下一步问谁
通常DNS服务器之间是迭代

迭代查询告诉你下一步问谁。

典型的查询过程

典型的DNS查询过程：

客户端 → 本地DNS服务器（递归）
本地DNS → 根服务器（迭代）
根 → 返回com服务器地址
本地DNS → com服务器（迭代）
com → 返回baidu.com服务器地址
本地DNS → baidu.com服务器（迭代）
baidu → 返回www.baidu.com的IP
本地DNS → 客户端（最终结果）

客户端到本地是递归，服务器之间是迭代。

14.5 DNS缓存

缓存的作用

DNS缓存的作用：

不用每次都从根查起
提高查询速度
减少网络流量
减轻根服务器压力

缓存提高效率。

缓存的位置

缓存的位置：

本地DNS服务器缓存
- 查过的都缓存
- 下次直接用
- 最主要的缓存
操作系统缓存
- 系统也会缓存
- 不用每次都问DNS
应用程序缓存
- 有些应用自己缓存
- 比如浏览器

多层缓存。

TTL

TTL（Time To Live）：

生存时间
缓存可以存多久
秒为单位
过期了就重新查

为什么需要TTL：

记录可能会变
不能永久缓存
过期了重新查保证正确性

TTL控制缓存时间。

缓存的优缺点

优点：

快
减少查询
减轻服务器压力

缺点：

数据可能不是最新的
更改后要等TTL过期才生效
缓存污染的风险

缓存有好有坏。

14.6 反向查询

什么是反向查询

反向查询（Reverse DNS）：

正向：域名 → IP
反向：IP → 域名
用PTR记录

为什么需要反向查询：

日志里显示域名
反垃圾邮件
身份验证
等等

反向查询IP转域名。

反向查询的实现

反向查询的实现：

用特殊的域名
in-addr.arpa
IP反过来加.in-addr.arpa

例子：

IP：192.168.1.1
反向查询：1.1.168.192.in-addr.arpa
查PTR记录

反向查询用in-addr.arpa域。

14.7 DNS服务器

DNS服务器类型

DNS服务器类型：

根域名服务器
- 最顶层
- 知道顶级域的服务器
- 全球13组
顶级域服务器
- 管理一个顶级域
- 比如com的服务器
- 知道二级域的服务器
权威域名服务器
- 管理一个域
- 比如baidu.com的服务器
- 有这个域的所有数据
本地域名服务器
- 也叫递归服务器
- 替客户端查询
- 缓存结果
- 比如运营商的DNS

有不同类型的DNS服务器。

权威服务器

权威服务器（Authoritative）：

有这个域的原始数据
回答是权威的
AA位为1

主从服务器：

主服务器：原始数据
从服务器：从主服务器同步
冗余和负载均衡

权威服务器有原始数据。

递归服务器

递归服务器（Recursive）：

也叫缓存服务器
替客户端查
缓存结果
自己没有原始数据
比如8.8.8.8（Google DNS）

递归服务器替客户端查询。

14.8 小结

DNS概述

作用
- 域名系统
- 域名 ↔ IP
特点
- 分布式
- 层次化
- 缓存
- 冗余

域名空间

层次结构
- 根 → 顶级域 → 二级域 → …
- 从右到左
根域
- 最顶层
- 13组根服务器
顶级域
- 通用、国家、新通用
FQDN
- 完全限定域名
- 完整路径

报文格式

五部分
- 首部、问题、答案、授权、附加
首部
- 12字节
- 标识、QR、Opcode、各种标志
- 各部分数量
问题部分
- 查询名、类型、类
资源记录
- 答案/授权/附加都是RR
- 类型、TTL、数据

查询方式

递归查询
- 服务器替你查完
- 客户端简单
- 客户端→本地DNS
迭代查询
- 告诉你下一步问谁
- 客户端复杂
- DNS服务器之间
典型过程
- 客户端→本地（递归）
- 本地→根→顶级→权威（迭代）

DNS缓存

作用
- 提高速度
- 减少查询
位置
- 本地DNS服务器
- 操作系统
- 应用程序
TTL
- 生存时间
- 控制缓存时间

反向查询

什么是反向查询
- IP → 域名
- PTR记录
实现
- in-addr.arpa
- IP反过来

DNS服务器

类型
- 根服务器
- 顶级域服务器
- 权威服务器
- 本地/递归服务器
权威服务器
- 有原始数据
- 主从结构
递归服务器
- 替客户端查
- 缓存结果

关键概念

DNS
- 域名系统
- 分布式层次化
递归 vs 迭代
- 递归：替你查完
- 迭代：告诉你问谁
缓存
- 提高效率
- TTL控制
反向查询
- IP→域名
- in-addr.arpa
服务器类型
- 根、顶级、权威、递归

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