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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。

DNS 原理入门

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。

$ dig math.stackexchange.com

上面的命令会输出六段信息。

DNS 原理入门

第一段是查询参数和统计。

DNS 原理入门

第二段是查询内容。

DNS 原理入门

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

第三段是DNS服务器的答复。

DNS 原理入门

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。

DNS 原理入门

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。

DNS 原理入门

第六段是DNS服务器的一些传输信息。

DNS 原理入门

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。

$ dig +short math.stackexchange.com

151.101.129.69

151.101.65.69

151.101.193.69

151.101.1.69

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。

DNS 原理入门

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。

$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com

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。

DNS 原理入门

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。

主机名.次级域名.顶级域名.根域名

# 即

host.sld.tld.root

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。

DNS 原理入门

上面列表中,列出了根域名(.root)的三条NS记录A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET和C.ROOT-SERVERS.NET,以及它们的IP地址(即A记录)198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。

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。

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