DNS原理入门

Mr.Dylin...大约 10 分钟

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 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》open in new window。

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。

第一段是查询参数和统计。

第二段是查询内容。

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。

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。

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。

第六段是 DNS 服务器的一些传输信息。

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）。

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。

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

本地域名服务器

本地 DNS 一般是指你电脑上网时 IPv4 或者 IPv6 设置中填写的那个 DNS。这个有可能是手工指定的或者是 DHCP 自动分配的。

如果你的电脑是直连运营商网络，一般默认设置情况下 DNS 为 DHCP 分配到的运营商的服务器地址。如果你的电脑和运营商之间还加了无线或者有线路由，那极有可能路由器本身还内置了一个 DNS 转发器，这玩意的作用是将发往他所有的 DNS 请求转发到上层 DNS。此时由于路由器本身也接管了下挂电脑的 DHCP 服务，所以它分配给下面电脑的 DNS 地址就是它自身，所以你能看到电脑的 DNS 分配到的可能是 192.168.1.1。实际上就是路由器自身，而路由器的 DNS 转发器将请求转发到上层 ISP 的 DNS。所以这里说 DNS 是局域网或者是运营商的都可以（因为最终都是转发到运营商，小细节不用纠结）。

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。

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）
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）
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open in new window。

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。

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。

$ dig +trace math.stackexchange.com

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。

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。

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。

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。

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。

NS 记录的查询

dig命令可以单独查看每一级域名的 NS 记录。

$ dig ns com
$ dig ns stackexchange.com

+short参数可以显示简化的结果。

$ dig +short ns com
$ dig +short ns stackexchange.com

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。

$ dig facebook.github.io

...

;; ANSWER SECTION:
facebook.github.io. 3370    IN  CNAME   github.map.fastly.net.
github.map.fastly.net.  600 IN  A   103.245.222.133

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。

$ dig -x 192.30.252.153

...

;; ANSWER SECTION:
153.252.30.192.in-addr.arpa. 3600 IN    PTR pages.github.com.

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。

$ dig a github.com
$ dig ns github.com
$ dig mx github.com

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 github.com

github.com has address 192.30.252.121
github.com mail is handled by 5 ALT2.ASPMX.L.GOOGLE.COM.
github.com mail is handled by 10 ALT4.ASPMX.L.GOOGLE.COM.
github.com mail is handled by 10 ALT3.ASPMX.L.GOOGLE.COM.
github.com mail is handled by 5 ALT1.ASPMX.L.GOOGLE.COM.
github.com mail is handled by 1 ASPMX.L.GOOGLE.COM.

$ host facebook.github.com

facebook.github.com is an alias for github.map.fastly.net.
github.map.fastly.net has address 103.245.222.133

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>。

$ host 192.30.252.153

153.252.30.192.in-addr.arpa domain name pointer pages.github.com.

（2）nslookup 命令

nslookup命令用于互动式地查询域名记录。

$ nslookup

> facebook.github.io
Server:     192.168.1.253
Address:    192.168.1.253#53

Non-authoritative answer:
facebook.github.io  canonical name = github.map.fastly.net.
Name:   github.map.fastly.net
Address: 103.245.222.133

>

（3）whois 命令

whois命令用来查看域名的注册情况。

$ whois github.com

十、参考链接

DNS: The Good Partsopen in new window, by Pete Keen
DNS 101open in new window, by Mark McDonnell