DNS 原理入门

[source: http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html]

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。

1. 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》

2. 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
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[liub@MacBookPro OSI]$ dig math.stackexchange.com

; <<>> DiG 9.8.3-P1 <<>> math.stackexchange.com
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 12998
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 4, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 0

;; QUESTION SECTION:
;math.stackexchange.com.		IN	A

;; ANSWER SECTION:
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.193.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.65.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.129.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.1.69

;; Query time: 193 msec
;; SERVER: 202.112.80.168#53(202.112.80.168)
;; WHEN: Sun Aug 27 16:19:43 2017
;; MSG SIZE  rcvd: 104
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上面的命令会输出四段信息。

第一段是查询参数和统计。

; <<>> DiG 9.8.3-P1 <<>> math.stackexchange.com
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 12998
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 4, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 0
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第二段是查询内容。

;; QUESTION SECTION:
;math.stackexchange.com.		IN	A
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第三段是DNS服务器的答复。

;; ANSWER SECTION:
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.193.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.65.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.129.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.1.69
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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。300是TTL值(Time to live 的缩写),表示缓存时间,即300秒之内不用重新查询。

第四段是DNS服务器的一些传输信息。

;; Query time: 193 msec
;; SERVER: 202.112.80.168#53(202.112.80.168)
;; WHEN: Sun Aug 27 16:19:43 2017
;; MSG SIZE  rcvd: 104
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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。

3. 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
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上面命令指定向DNS服务器4.2.2.2查询。

4. 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

host.sld.tld.root
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5. 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(Name Server的缩写),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 root server

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

6. 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
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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

[liub@MacBookPro OSI]$  dig +trace math.stackexchange.com

; <<>> DiG 9.8.3-P1 <<>> +trace math.stackexchange.com
;; global options: +cmd
.			326194	IN	NS	c.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	e.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	a.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	h.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	b.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	m.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	d.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	k.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	g.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	f.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	i.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	j.root-servers.net.
.			326194	IN	NS	l.root-servers.net.
;; Received 228 bytes from 202.112.80.168#53(202.112.80.168) in 4224 ms

com.			172800	IN	NS	l.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	k.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	d.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	e.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	j.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	c.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	m.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	h.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	i.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	a.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	g.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	b.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	f.gtld-servers.net.
;; Received 500 bytes from 192.228.79.201#53(192.228.79.201) in 1098 ms

stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-925.awsdns-51.net.
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-1029.awsdns-00.org.
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-cloud-d1.googledomains.com.
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-cloud-d2.googledomains.com.
;; Received 279 bytes from 192.52.178.30#53(192.52.178.30) in 89 ms

math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.193.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.65.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.1.69
math.stackexchange.com.	300	IN	A	151.101.129.69
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-1029.awsdns-00.org.
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-925.awsdns-51.net.
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-cloud-d1.googledomains.com.
stackexchange.com.	172800	IN	NS	ns-cloud-d2.googledomains.com.
;; Received 239 bytes from 205.251.196.5#53(205.251.196.5) in 103 ms

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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。

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。

7. 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
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+short参数可以显示简化的结果。

$ dig +short ns com
$ dig +short ns stackexchange.com
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8. 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。
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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。

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。

9. 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
    
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    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

    $ host 192.30.252.153
    
    153.252.30.192.in-addr.arpa domain name pointer pages.github.com.
    
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  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
    
    > 
    
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  3. whois 命令 whois命令用来查看域名的注册情况。

    $ whois github.com
    
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10. 参考链接

  1. DNS: The Good Parts, by Pete Keen
  2. DNS 101, by Mark McDonnell
最近更新: 12/9/2018, 10:09:30 PM