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文章目录
  1. 前言
  2. DNS 相关介绍
    1. DNS 基本概念
  3. 域名解析全过程
  4. dig 命令
  5. 参考文献

DNS基础

2015.06.23 xiazdong  热度 ℃

前言

Cracking the code interview 中有一道题：当你在浏览器中输入一个URL，并按下 Enter后都发生了什么？，在 Github 上有一个仓库：what-happens-when-zh_CN 也介绍了在浏览器中输入URL后发生的事情，其中都只是简单地介绍了 DNS 域名解析的过程，但其实域名解析远比这个复杂，因此本文将介绍关于 DNS 的基础知识。

本文演讲PPT请参见：xiazdong.github.io/slides/dns

DNS 相关介绍

DNS 基本概念

DNS(Domain Name System, 域名系统) 是互联网的基础设施，主要负责域名解析，即负责将域名转换成 IP 地址。1983 年由 Paul Mockapetris 设计出来。

域名是一个树状结构构成的，如下图，每个域名对应一个或多个 DNS 服务器，域名解析请求也是从上到下一步一步进行下发的。



下面介绍两个基本概念：

  • Zone: 以上图来说，就是一棵子树。比如”.com”的 Zone 就是以 “.com” 为根的子树。因此 “www.taobao.com” 是在 “.com” 的 Zone 里的。
  • Domain: 树中的一条路径。比如 “taobao.com.” 是 Domain，”www.taobao.com.” 也是 Domain。

从上图可知，域名(Domain)分成很多类：

  • 根域名(Root Domain): 是树状结构的根，在 URL 中对应的是：”.”。全世界一共有13个根域名服务器(每个服务器都是一个集群，通过 Anycast 技术共用一个 IP)，这13个根域名服务器的名字分别是 [A-M].root-servers.net，根域名服务器的分布图如下：


  • 顶级域名(Top Level Domain, TLD): 根域名的下一层，URL 中对应例如：”.com”,”.cn”,”.net”。TLD 分成两类：
    • gTLD(generic TLD, 国际顶级域名): 比如 .com, .net。
    • ccTLD(Country Code TLD, 国家和地区顶级域名): 比如 .cn, .jp。
  • 二级域名(Second Level Domain)：这层就是一般我们用钱去 Godaddy 买的域名，比如”taobao.com”。
  • 三级、四级域名…

URL 就是一个由”.”分隔的字符串，总长度必须小于等于255字节，每个分隔的子串必须小于等于63字节。其实完整的每个URL都是以”.”结尾的，比如”www.taobao.com.”，只是现在大家默认都会省去这个点。

为了完成域名解析，不得不介绍一下 Local DNS。

  • 一般上网我们都是设置为 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)的，Local DNS 是你连上网之后，由网络服务提供商(ISP, Internet Service Provider, 比如移动、连通、电信)自动就近分配(地理位置尽量近以加快域名解析的速度)给计算机的(一般会分配两个，一个主DNS，一个备用DNS)，因此 Local DNS 是由 ISP 自己维护的， ISP 还会为计算机分配 IP。如果你想自己设置 DNS 也是可以的(可以是公共 DNS，比如 AliDNS 或 Google 的 8.8.8.8)，这样计算机就不使用 Local DNS 了。
  • 因为 Root DNS 的13个 IP 都是公开的，因此一般 Local DNS 会以静态文件的形式内置这13个 Root DNS 的 IP。

Local DNS 是负责帮你完成域名解析的大功臣，你只需要把 DNS 域名解析的报文请求发送给 Local DNS，它会以递归的方式帮你完成一系列的请求解析(因为要不断请求不同层级的 DNS，先从根 DNS 开始，再到 TLD，…)，并最终返回给你域名的 IP。 Local DNS 执行流程如下图：




> - 内网 IP: 这是局域网内部的IP地址，输入 ipconfig 看到的是内网IP，比如 “192.168.0.103”。
> - 公网 IP: 这是运营商分配的IP地址，这个地址并不是你电脑独占的，比如我在家里电脑和手机连的是同一个网，那么他们共享同一个公网 IP。在百度里输入 IP，就能看到自己的外网 IP。

查看公网 IP 和 Local DNS 的 IP 的简便方法是访问：阿里的昆仑镜或者腾讯的华佗。

> 如果要自己搭一个 DNS 服务器，一般使用 BIND(Berkeley Internet Name Domain)。

### DNS 分类

- 递归 DNS：负责接收域名解析请求，并帮助用户一次又一次递归地请求不同的 DNS 服务器，最后得到 IP 并返回给用户。比如 Local DNS, 公共 DNS。
- 权威 DNS：保存某个域 DNS 解析的权威信息，怎么解析他说了算。 至于哪个 DNS 服务器是权威 DNS，则在上一级的 Zone File 中通过 NS 记录设置。比如为了让 DNSPod 的 “f1g1ns1.dnspod.net”和” f1g1ns2.dnspod.net” 作为 “xiazdong.me” 的权威 DNS，必须要到 Godaddy 中设置 Nameserver(即设置 NS 记录：xiazdong.me NS f1g1ns1.dnspod.net)，表明现在 “xiazdong.me” 有两个权威 DNS 服务器。

> 一个 DNS 既可以作为递归 DNS，也可以同时作为权威 DNS，即当 DNS 请求该 DNS 负责的域名时，则进行解析；当 DNS 请求不是他负责的域名时，则作为递归 DNS 使用。

### DNS 攻击

- DNS 劫持(DNS Hijacking or DNS redirection)：攻击的人会 劫持 DNS 服务器，并获得管理权限，从而修改映射关系。常见的 DNS 劫持是 DNS 广告劫持，现象是比如你访问”www.taobao.com”，会在页面上弹出一个不相关广告，这是运营商干的，Local DNS 是 ISP 管理的，当你发一个 DNS 域名请求到 Local DNS，他会将 DNS 响应报文中的 IP 改成自己搭的广告服务器的IP，他预先会写一个静态页面在广告服务器，其中 <iframe> 依旧请求原页面，但是区别是多加一些代码用来弹广告。这个解决方法就是投诉。
- DNS 污染(DNS cache poisoning)：DNS 服务器的缓存映射被篡改。假设 Root DNS 被污染，那么如果用户请求 “www.taobao.com”，Root DNS 直接返回一个假 IP，让用户访问不了淘宝。如果 Root DNS 都被污染了，那就无解了。因此 DNS 劫持是对 DNS 服务器本身做修改，而 DNS 污染是对 DNS 服务器缓存做修改。
- DDOS(Distributed Deny Of Service, 分布式拒绝服务)： 搞一堆肉机，制造大量 DNS 解析请求，大量提升 QPS，导致 DNS 服务器的带宽被塞满，无法为其他用户提供服务。一些常见的解决方法是：黑名单(不对黑名单中 IP 提供 DNS 解析请求服务)、白名单(只对白名单中的 IP 提供 DNS 解析请求服务)。

### DNS Zone File

DNS Zone File(DNS 区域文件)是每个 DNS 服务器都需要有的一个文本文件，用来进行域名解析。一般格式如下：

$ORIGIN example.com.     ; designates the start of this zone file in the namespace
$TTL 1h                  ; default expiration time of all resource records without their own TTL value
example.com.  IN  SOA   ns.example.com. username.example.com. ( 2007120710 1d 2h 4w 1h )
example.com.  IN  NS    ns                    ; ns.example.com is a nameserver for example.com
example.com.  IN  NS    ns.somewhere.example. ; ns.somewhere.example is a backup nameserver for example.com
example.com.  IN  MX    10 mail.example.com.  ; mail.example.com is the mailserver for example.com
@             IN  MX    20 mail2.example.com. ; equivalent to above line, "@" represents zone origin
@             IN  MX    50 mail3              ; equivalent to above line, but using a relative host name
example.com.  IN  A     192.0.2.1             ; IPv4 address for example.com
	      IN  AAAA  2001:db8:10::1        ; IPv6 address for example.com
ns            IN  A     192.0.2.2             ; IPv4 address for ns.example.com
	      IN  AAAA  2001:db8:10::2        ; IPv6 address for ns.example.com
www           IN  CNAME example.com.          ; www.example.com is an alias for example.com
wwwtest       IN  CNAME www                   ; wwwtest.example.com is another alias for www.example.com
mail          IN  A     192.0.2.3             ; IPv4 address for mail.example.com
mail2         IN  A     192.0.2.4             ; IPv4 address for mail2.example.com
mail3         IN  A     192.0.2.5             ; IPv4 address for mail3.example.com


解释如下：

- 文件中每行都是一个资源记录(Resource Record,RR)，资源记录有很多类型，比如 SOA(Start Of Authority), A(Address), NS(Name Server), MX(Mail eXchange), CNAME(别名，一般出于调度考虑)。
- $ORIGIN example.com.: 这个 Zone File 的 DNS 的域是 “example.com.”
- $TTL 1h: 该文件的记录的最大存活时间是1小时。
- example.com. IN SOA ns.example.com. username.example.com.: “example.com.” 的首选 DNS 服务器是 “ns.example.com.”，管理员邮箱是”username@example.com.”。
- example.com. IN NS ns: “ns.example.com.” 是 “example.com” 的 Nameserver。
- example.com. IN NS ns.somewhere.example.: “ns.somewhere.example.” 是 “example.com” 的另一个 Nameserver。
- example.com. IN MX 10 mail.example.com.: “mail.example.com.” 是 “example.com.” 的邮件服务器，优先级是10(优先级数字越小，则优先级越高)。MX 表示 Mail eXchange。
- @ IN MX 20 mail2.example.com.: 也是设置邮件服务器，优先级是20。
- @ IN MX 50 mail3: “mail3.example.com.” 是 “example.com” 的邮件服务器，优先级是50。
- example.com. IN A 192.0.2.1: “example.com” 的 IPv4 地址是 “192.0.2.1”。
- IN AAAA 2001:db8:10::1: “example.com” 的IPv6 地址是 “2001:db8:10::1”。
- ns IN A 192.0.2.2: “ns.example.com.” 的 IPv4 地址是 “192.0.2.2”。
- www IN CNAME example.com.: “www.example.com.” 是 “example.com” 的别名。
- wwwtest IN CNAME www: “wwwtest.example.com.” 是 “www.example.com.” 的别名。
- mail IN A 192.0.2.3: “mail.example.com” 的 IPv4 地址是 “192.0.2.3”。
- mail2 IN A 192.0.2.4: “mail2.example.com” 的 IPv4 地址是 “192.0.2.4”。
- mail3 IN A 192.0.2.5: “mail3.example.com” 的 IPv4 地址是 “192.0.2.5”。

那么 CNAME 能不能被 A 替代呢？答案是不能，主要是看需求。因为：

- 定义不同: A 记录对应的是 IP，CNAME 对应的是 URL，他只是域名解析的中间结果，因此 CNAME 引入了中间态。
- 应用场景不同: 如果我想把某个域名指向 google.com，而 google.com 有很多 IP 地址，而且可能随时会更换，因此最好的方式是通过 CNAME 指向 google.com，而不是用 A 记录指向 google.com 对应的一个 IP 地址。

一般来说，一个域名的 DNS 服务器会有很多台，会以 Master-Slave 的形式部署，而每台 Master 或 Slave 都会有 Zone File，Slave 会通过 AXFR(全量传输), IXFR(增量传输) 或 Notify 的方式同步 Master 的 Zone File。如下图：



从上面这张图看出：Remote Admin 是 DNSPod 提供的操作界面，当你修改了记录后，他会同步到 Master 的 Zone File 中，并通知 Slave 更新。

DNSPod 的权威 DNS 是”f1g1ns1.dnspod.net”和” f1g1ns2.dnspod.net”，我的博客”xiazdong.me”的权威 DNS 设置成了这两个 URL，为了让这个权威 DNS 生效，我需要去申请域名的平台(Godaddy)将 DNS NameServer 设置为这两个 URL，这样才能够生效，一般来说 Master DNS 服务器和 Slave DNS 服务器都是权威 DNS。如果你在 DNSPod 平台上修改 A 记录，那么会把修改同步到 Master DNS 服务器，Slave 再通过某种方式同步 Master 的 Zone File。

域名解析全过程

比如你在 Chrome 中输入 “www.taobao.com”，并按下回车，域名解析会进行如下步骤：

  1. 查看浏览器 DNS 缓存。Chrome 可以通过 chrome://net-internals/#dns 查看浏览器的 DNS 缓存，一般这些缓存的 TTL(Time To Live) 是几分钟。
  2. 查看系统 DNS 缓存。 Windows 可以通过 ipconfig /displaydns 查看系统 DNS 缓存。这里面包含了 hosts 文件设置的映射，有时候修改了 hosts 文件后，为了让 hosts 文件生效，需要执行 ipconfig /flushdns。
  3. 查看路由器 DNS 缓存。
  4. 查看 Local DNS 的 DNS 缓存。这部分缓存是由 ISP 自己实现，有些 ISP 为了减少域名解析次数，会将缓存的 TTL 特意变长一点，比如原来 TTL=10min，但是 ISP 自己实现的时候，设置缓存的时间是30min。这也会导致你更改了 DNS 服务器的 A 记录后不能马上生效的原因。
  5. 如果这些缓存都没有域名对应的IP，那么 Local DNS 会帮你递归地开始进行域名解析。
    • 因为在 Local DNS 中内置了 13个 Root DNS 的 IP，因此任意选择一个 Root DNS 的 IP 发起 DNS 解析请求报文，当 Root DNS 收到 Local DNS 的请求后，会发现这个 URL 的顶级域名是 “.com”，因此他会把 “.com” 的 DNS 服务器的 IP(通常会发13个 “.com” 的服务器的 IP)发送给 Local DNS 作为响应。
    • Local DNS 收到 Root DNS 的响应后，会继续把请求发送给 “.com” 的 DNS 服务器(它的 IP 从 Root DNS 的响应中获得)，”.com” 的 DNS 服务器收到请求后，会发现这个 URL 的二级域名是 “taobao.com”，因此会把 “taobao.com” 的 DNS 服务器的 IP(通常也会有多个)发送给 Local DNS 作为响应。
    • Local DNS 收到 “.com” DNS 的响应后，会继续把请求发送给 “.taobao.com” 的 DNS 服务器(它的 IP 从 “.com” DNS 的响应中获得)，”taobao.com” 的 DNS 服务器收到请求后，会发现这个 URL 的子域名是 “www.taobao.com”，那么会把 “www.taobao.com” 的 DNS 服务器的 IP 发送给 Local DNS 作为响应。当然这里可能会有一个问题，因为”www.taobao.com”会有多个IP对应，那么到底返回哪个IP呢？一般 DNS 会有调度原则，实现方法是：DNS 服务器会内置一个 IP 库，会根据请求源的 IP(Local DNS 的 IP) 确定他的国家、地区、运营商，因此会返回就近的 IP，这就实现了就近调度。一般 CDN(Content Delivery Network, 内容分发网络, 主要存储静态文件如 CSS, JS)的实现原理就是这样。
    • Local DNS 收到了 “www.taobao.com” 的 IP，也就完成了任务，他会把这个 IP 送回给计算机。
  • 域名请求和响应是以 UDP 协议发送的。
  • RTT(Round Trip Time): 一次请求+响应的时间。
  • TTL(Time To Live): 当 DNS 服务器返回 IP 时，会带有 TTL，表示这个映射你能缓存的时间，比如 TTL=10min，那么这个映射关系只能缓存10分钟，10分钟之后就过期了。但是 ISP 的 Local DNS 可能并不会那么听话，他可能会缓存半个小时。

在无线端的域名解析，需要提几点：

  • 在开发移动应用时，为了节省域名解析的时间，采用”IP直连“的方式，即在应用中内置可能会用到的域名的 IP(比如手机淘宝可能会访问的域名其实都是可预料的)，这样就省去了域名解析的时间(一般解析时间在200ms-400ms)。
  • 由于 Local DNS 运维水平参差不齐，可能会出现 DNS 劫持、ISP 分配给用户的 Local DNS 不在一个地区，又因为一个应用可能会访问的域名是固定的，因此大公司都会自己实现一套异步的 DNS 解析，比如腾讯的 HttpDNS。

HttpDNS 的实现思路是：

  • 开辟一个线程，从应用启动后定期地发起 HttpDNS 的域名解析请求(同时可以请求解析多个域名)到 HttpDNS 服务器(定期发起请求是因为怕 IP 过期)，该请求走 HTTP 协议，然后 HttpDNS 服务器把 HTTP 请求转换成 DNS 请求，并对后端的 DNS 服务器进行 DNS 域名解析请求，当解析完成后，会将请求域名的 IP 地址送回给客户端，并缓存起来。
  • 当应用发起网络请求，会首先看 HttpDNS 的缓存中是不是存在已经解析好的 IP 地址，如果有，则直接拿来用(这里可能会出现 IP 过期，也需要降级走 Local DNS)；如果没有，则降级走 Local DNS。

dig 命令

上一节已经介绍了 DNS 域名解析的基本流程，本节我们通过 Linux 中的 dig(Domain Information Groper) 命令来验证这个解析流程。以 dig +trace www.taobao.com 为例。

输出如下：

; <<>> DiG 9.8.3-P1 <<>> +trace taobao.com
;; global options: +cmd
.			84725	IN	NS	l.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	j.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	c.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	f.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	i.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	k.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	h.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	e.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	m.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	a.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	g.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	b.root-servers.net.
.			84725	IN	NS	d.root-servers.net.
;; Received 505 bytes from 10.65.0.1#53(10.65.0.1) in 159 ms
;上面这些数据是从 /etc/resolv.conf 中指定的 DNS 服务器获得的13个根域名服务器的 IP 地址和名称。
com.			172800	IN	NS	a.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	b.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	c.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	d.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	e.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	f.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	g.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	h.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	i.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	j.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	k.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	l.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	m.gtld-servers.net.
;; Received 488 bytes from 128.63.2.53#53(128.63.2.53) in 275 ms 
;上面这些数据是从13个根域名服务器的其中一个(IP 地址 128.63.2.53)获得 ".com" 的 DNS 服务器的 IP 地址和名称。
taobao.com.		172800	IN	NS	ns4.taobao.com.
taobao.com.		172800	IN	NS	ns5.taobao.com.
taobao.com.		172800	IN	NS	ns6.taobao.com.
taobao.com.		172800	IN	NS	ns7.taobao.com.
;; Received 180 bytes from 192.26.92.30#53(192.26.92.30) in 279 ms
;上面这些数据是从13个".com" DNS 服务器的其中一个(IP 地址 192.26.92.30)获得 "taobao.com" 的 DNS 服务器的 IP 地址和名称。
taobao.com.		1800	IN	A	110.75.115.70
taobao.com.		10800	IN	NS	ns7.taobao.com.
taobao.com.		10800	IN	NS	ns5.taobao.com.
taobao.com.		10800	IN	NS	ns4.taobao.com.
taobao.com.		10800	IN	NS	ns6.taobao.com.
;; Received 196 bytes from 110.75.38.29#53(110.75.38.29) in 3 ms
;上面这些数据是从4个"taobao.com"的 DNS 服务器的其中一个(IP 地址为 110.75.38.29)获得 "taobao.com" 的 IP 地址：110.75.115.70。

参考文献

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