DNS 原理整理

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DNS 原理入门

DNS 是互联网核心协议之一。不管是上网浏览,还是编程开发,都需要了解一点它的知识。

本文详细介绍DNS的原理,以及如何运用工具软件观察它的运作。我的目标是,读完此文后,你就能完全理解DNS。

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一、DNS 是什么?

DNS (Domain Name System 的缩写)的作用非常简单,就是根据域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的电话本。

举例来说,如果你要访问域名math.stackexchange.com,首先要通过DNS查出它的IP地址是151.101.129.69

如果你不清楚为什么一定要查出IP地址,才能进行网络通信,建议先阅读我写的《互联网协议入门》

二、查询过程

虽然只需要返回一个IP地址,但是DNS的查询过程非常复杂,分成多个步骤。

工具软件dig可以显示整个查询过程。

上面的命令会输出六段信息。

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第一段是查询参数和统计。

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第二段是查询内容。

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上面结果表示,查询域名math.stackexchange.comA记录,A是address的缩写。

第三段是DNS服务器的答复。

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上面结果显示,math.stackexchange.com有四个A记录,即四个IP地址。600是TTL值(Time to live 的缩写),表示缓存时间,即600秒之内不用重新查询。

第四段显示stackexchange.com的NS记录(Name Server的缩写),即哪些服务器负责管理stackexchange.com的DNS记录。

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上面结果显示stackexchange.com共有四条NS记录,即四个域名服务器,向其中任一台查询就能知道math.stackexchange.com的IP地址是什么。

第五段是上面四个域名服务器的IP地址,这是随着前一段一起返回的。

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第六段是DNS服务器的一些传输信息。

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上面结果显示,本机的DNS服务器是192.168.1.253,查询端口是53(DNS服务器的默认端口),以及回应长度是305字节。

如果不想看到这么多内容,可以使用+short参数。

上面命令只返回math.stackexchange.com对应的4个IP地址(即A记录)。

三、DNS服务器

下面我们根据前面这个例子,一步步还原,本机到底怎么得到域名math.stackexchange.com的IP地址。

首先,本机一定要知道DNS服务器的IP地址,否则上不了网。通过DNS服务器,才能知道某个域名的IP地址到底是什么。

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DNS服务器的IP地址,有可能是动态的,每次上网时由网关分配,这叫做DHCP机制;也有可能是事先指定的固定地址。Linux系统里面,DNS服务器的IP地址保存在/etc/resolv.conf文件。

上例的DNS服务器是192.168.1.253,这是一个内网地址。有一些公网的DNS服务器,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

本机只向自己的DNS服务器查询,dig命令有一个@参数,显示向其他DNS服务器查询的结果。

上面命令指定向DNS服务器4.2.2.2查询。

四、域名的层级

DNS服务器怎么会知道每个域名的IP地址呢?答案是分级查询。

请仔细看前面的例子,每个域名的尾部都多了一个点。

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比如,域名math.stackexchange.com显示为math.stackexchange.com.。这不是疏忽,而是所有域名的尾部,实际上都有一个根域名。

举例来说,www.example.com真正的域名是www.example.com.root,简写为www.example.com.。因为,根域名.root对于所有域名都是一样的,所以平时是省略的。

根域名的下一级,叫做"顶级域名"(top-level domain,缩写为TLD),比如.com.net;再下一级叫做"次级域名"(second-level domain,缩写为SLD),比如www.example.com里面的.example,这一级域名是用户可以注册的;再下一级是主机名(host),比如www.example.com里面的www,又称为"三级域名",这是用户在自己的域里面为服务器分配的名称,是用户可以任意分配的。

总结一下,域名的层级结构如下。

五、根域名服务器

DNS服务器根据域名的层级,进行分级查询。

需要明确的是,每一级域名都有自己的NS记录,NS记录指向该级域名的域名服务器。这些服务器知道下一级域名的各种记录。

所谓"分级查询",就是从根域名开始,依次查询每一级域名的NS记录,直到查到最终的IP地址,过程大致如下。

  1. 从"根域名服务器"查到"顶级域名服务器"的NS记录和A记录(IP地址)
  2. 从"顶级域名服务器"查到"次级域名服务器"的NS记录和A记录(IP地址)
  3. 从"次级域名服务器"查出"主机名"的IP地址

仔细看上面的过程,你可能发现了,没有提到DNS服务器怎么知道"根域名服务器"的IP地址。回答是"根域名服务器"的NS记录和IP地址一般是不会变化的,所以内置在DNS服务器里面。

下面是内置的根域名服务器IP地址的一个例子

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上面列表中,列出了根域名(.root)的三条NS记录A.ROOT-SERVERS.NETB.ROOT-SERVERS.NETC.ROOT-SERVERS.NET,以及它们的IP地址(即A记录)198.41.0.4192.228.79.201192.33.4.12

另外,可以看到所有记录的TTL值是3600000秒,相当于1000小时。也就是说,每1000小时才查询一次根域名服务器的列表。

目前,世界上一共有十三组根域名服务器,从A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET

六、分级查询的实例

dig命令的+trace参数可以显示DNS的整个分级查询过程。

上面命令的第一段列出根域名.的所有NS记录,即所有根域名服务器。

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根据内置的根域名服务器IP地址,DNS服务器向所有这些IP地址发出查询请求,询问math.stackexchange.com的顶级域名服务器com.的NS记录。最先回复的根域名服务器将被缓存,以后只向这台服务器发请求。

接着是第二段。

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上面结果显示.com域名的13条NS记录,同时返回的还有每一条记录对应的IP地址。

然后,DNS服务器向这些顶级域名服务器发出查询请求,询问math.stackexchange.com的次级域名stackexchange.com的NS记录。

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上面结果显示stackexchange.com有四条NS记录,同时返回的还有每一条NS记录对应的IP地址。

然后,DNS服务器向上面这四台NS服务器查询math.stackexchange.com的主机名。

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上面结果显示,math.stackexchange.com有4条A记录,即这四个IP地址都可以访问到网站。并且还显示,最先返回结果的NS服务器是ns-463.awsdns-57.com,IP地址为205.251.193.207

七、NS 记录的查询

dig命令可以单独查看每一级域名的NS记录。

+short参数可以显示简化的结果。

八、DNS的记录类型

域名与IP之间的对应关系,称为"记录"(record)。根据使用场景,"记录"可以分成不同的类型(type),前面已经看到了有A记录和NS记录。

常见的DNS记录类型如下。

(1) A:地址记录(Address),返回域名指向的IP地址。

(2) NS:域名服务器记录(Name Server),返回保存下一级域名信息的服务器地址。该记录只能设置为域名,不能设置为IP地址。

(3)MX:邮件记录(Mail eXchange),返回接收电子邮件的服务器地址。

(4)CNAME:规范名称记录(Canonical Name),返回另一个域名,即当前查询的域名是另一个域名的跳转,详见下文。

(5)PTR:逆向查询记录(Pointer Record),只用于从IP地址查询域名,详见下文。

一般来说,为了服务的安全可靠,至少应该有两条NS记录,而A记录和MX记录也可以有多条,这样就提供了服务的冗余性,防止出现单点失败。

CNAME记录主要用于域名的内部跳转,为服务器配置提供灵活性,用户感知不到。举例来说,facebook.github.io这个域名就是一个CNAME记录。

上面结果显示,facebook.github.io的CNAME记录指向github.map.fastly.net。也就是说,用户查询facebook.github.io的时候,实际上返回的是github.map.fastly.net的IP地址。这样的好处是,变更服务器IP地址的时候,只要修改github.map.fastly.net这个域名就可以了,用户的facebook.github.io域名不用修改。

由于CNAME记录就是一个替换,所以域名一旦设置CNAME记录以后,就不能再设置其他记录了(比如A记录和MX记录),这是为了防止产生冲突。举例来说,foo.com指向bar.com,而两个域名各有自己的MX记录,如果两者不一致,就会产生问题。由于顶级域名通常要设置MX记录,所以一般不允许用户对顶级域名设置CNAME记录。

PTR记录用于从IP地址反查域名。dig命令的-x参数用于查询PTR记录。

上面结果显示,192.30.252.153这台服务器的域名是pages.github.com

逆向查询的一个应用,是可以防止垃圾邮件,即验证发送邮件的IP地址,是否真的有它所声称的域名。

dig命令可以查看指定的记录类型。

九、其他DNS工具

除了dig,还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命令的简化版本,返回当前请求域名的各种记录。

host命令也可以用于逆向查询,即从IP地址查询域名,等同于dig -x <ip>

(2)nslookup 命令

nslookup命令用于互动式地查询域名记录。

(3)whois 命令

whois命令用来查看域名的注册情况。

十、参考链接

DNS原理详解

通过 DNS 查询,得到域名的 IP 地址,才能访问网站。

那么,DNS 查询到底是怎么完成的?本文通过实例,详细介绍背后的步骤。

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一、DNS 服务器

域名对应的 IP 地址,都保存在 DNS 服务器。

我们输入域名,浏览器就会在后台,自动向 DNS 服务器发出请求,获取对应的 IP 地址。这就是 DNS 查询。

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举例来说,我输入 es6.ruanyifeng.com 这个域名,浏览器就要向 DNS 服务器查询,它的 IP 地址是什么,然后向该 IP 发出访问请求。

网上有很多公用的 DNS 服务器,这篇文章选择 Cloudflare 公司提供的 1.1.1.1 进行演示。

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二、dig 命令

命令行工具 dig 可以跟 DNS 服务器互动,我们就用它演示 DNS 查询。如果你还没有安装,可以搜一下安装方法,在 Linux 系统下是非常容易的。

它的查询语法如下(美元符号$是命令行提示符)。

向 1.1.1.1 查询域名,就执行下面的命令。

正常情况下,它会输出一大堆内容。

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在其中找到 ANSWER SECTION 这个部分,它给出了查询的答案,域名对应的 IP 地址是 104.198.14.52。

三、域名的树状结构

你可能会问,难道 DNS 服务器(比如 1.1.1.1)保存了世界上所有域名(包括二级域名、三级域名)的 IP 地址?

当然不是。DNS 是一个分布式系统,1.1.1.1 只是用户查询入口,它也需要再向其他 DNS 服务器查询,才能获得最终的 IP 地址。

要说清楚 DNS 完整的查询过程,就必须了解 域名是一个树状结构

最顶层的域名是根域名(root),然后是顶级域名(top-level domain,简写 TLD),再是一级域名、二级域名、三级域名。

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(1)根域名

所有域名的起点都是根域名,它写作一个点.,放在域名的结尾。因为这部分对于所有域名都是相同的,所以就省略不写了,比如example.com等同于example.com.(结尾多一个点)。

你可以试试,任何一个域名结尾加一个点,浏览器都可以正常解读。

(2)顶级域名

根域名的下一级是顶级域名。它分成两种:通用顶级域名(gTLD,比如 .com 和 .net)和国别顶级域名(ccTLD,比如 .cn 和 .us)。

顶级域名由国际域名管理机构 ICANN 控制,它委托商业公司管理 gTLD,委托各国管理自己的国别域名。

(3)一级域名

一级域名就是你在某个顶级域名下面,自己注册的域名。比如,ruanyifeng.com就是我在顶级域名.com下面注册的。

(4)二级域名

二级域名是一级域名的子域名,是域名拥有者自行设置的,不用得到许可。比如,es6 就是 ruanyifeng.com 的二级域名。

四、域名的逐级查询

这种树状结构的意义在于,只有上级域名,才知道下一级域名的 IP 地址,需要逐级查询。

每一级域名都有自己的 DNS 服务器,存放下级域名的 IP 地址。

所以,如果想要查询二级域名 es6.ruanyifeng.com 的 IP 地址,需要三个步骤。

第一步,查询根域名服务器,获得顶级域名服务器.com(又称 TLD 服务器)的 IP 地址。

第二步,查询 TLD 服务器 .com,获得一级域名服务器 ruanyifeng.com 的 IP 地址。

第三步,查询一级域名服务器 ruanyifeng.com,获得二级域名 es6 的 IP 地址。

下面依次演示这三个步骤。

五、根域名服务器

根域名服务器全世界一共有13台(都是服务器集群)。它们的域名和 IP 地址如下。

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根域名服务器的 IP 地址是不变的,集成在操作系统里面。

操作系统会选其中一台,查询 TLD 服务器的 IP 地址。

上面示例中,我们选择192.33.4.12,向它发出查询,询问es6.ruanyifeng.com的 TLD 服务器的 IP 地址。

dig 命令的输出结果如下。

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因为它给不了 es6.ruanyifeng.com 的 IP 地址,所以输出结果中没有 ANSWER SECTION,只有一个 AUTHORITY SECTION,给出了com.的13台 TLD 服务器的域名。

下面还有一个 ADDITIONAL SECTION,给出了这13台 TLD 服务器的 IP 地址(包含 IPv4 和 IPv6 两个地址)。

六、TLD 服务器

有了 TLD 服务器的 IP 地址以后,我们再选一台接着查询。

上面示例中,192.41.162.30 是随便选的一台 .com 的 TLD 服务器,我们向它询问 es6.ruanyifeng.com 的 IP 地址。

返回结果如下。

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它依然没有 ANSWER SECTION 的部分,只有 AUTHORITY SECTION,给出了一级域名 ruanyifeng.com 的两台 DNS 服务器。

下面的 ADDITIONAL SECTION 就是这两台 DNS 服务器对应的 IP 地址。

七、一级域名的 DNS 服务器

第三步,再向一级域名的 DNS 服务器查询二级域名的 IP 地址。

返回结果如下。

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这次终于有了 ANSWER SECTION,得到了最终的二级域名的 IP 地址。

至此,三个步骤的 DNS 查询全部完成。

八、DNS 服务器的种类

总结一下,上面一共提到了四种服务器。

  • 1.1.1.1
  • 根域名服务器
  • TLD 服务器
  • 一级域名服务器

它们都属于 DNS 服务器,都用来接受 DNS 查询。但是作用不一样,属于不同的类别。

8.1 递归 DNS 服务器

后三种服务器只用来查询下一级域名的 IP 地址,而 1.1.1.1 则把分步骤的查询过程自动化,方便用户一次性得到结果,所以它称为递归 DNS 服务器(recursive DNS server),即可以自动递归查询。

我们平常说的 DNS 服务器,一般都是指递归 DNS 服务器。它把 DNS 查询自动化了,只要向它查询就可以了。

它内部有缓存,可以保存以前查询的结果,下次再有人查询,就直接返回缓存里面的结果。所以它能加快查询,减轻源头 DNS 服务器的负担。

8.2 权威 DNS 服务器

一级域名服务器的正式名称叫做权威域名服务器(Authoritative Name Server)。

"权威"的意思是域名的 IP 地址由它给定,不像递归服务器自己做不了主。我们购买域名后,设置 DNS 服务器就是在设置该域名的权威服务器。

8.3 四种 DNS 服务器

综上所述,DNS 服务器可以分成四种:

  • 根域名服务器
  • TLD 服务器
  • 权威域名服务器
  • 递归域名服务器

它们的关系如下图。

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知道了 DNS 查询的原理,完全可以自己写一个 DNS 的递归服务器,这是不难的。网上有很多参考资料,有兴趣的话,大家可以试试看。

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九、参考网址

参考

https://www.ruanyifeng.com/blog/2022/08/dns-query.html

https://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html

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