詳細(xì)介紹DNS的原理

DNS 是互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議之一。不管是上網(wǎng)瀏覽，還是編程開發(fā)，都需要了解一點它的知識。

本文詳細(xì)介紹DNS的原理，以及如何運用工具軟件觀察它的運作。我的目標(biāo)是，讀完此文后，你就能完全理解DNS。

一、DNS 是什么？

DNS （Domain Name System 的縮寫）的作用非常簡單，就是根據(jù)域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的電話本。

舉例來說，如果你要訪問域名math.stackexchange.com，首先要通過DNS查出它的IP地址是151.101.129.69。

如果你不清楚為什么一定要查出IP地址，才能進行網(wǎng)絡(luò)通信，建議先閱讀我寫的 《互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議入門》 。

二、查詢過程

雖然只需要返回一個IP地址，但是DNS的查詢過程非常復(fù)雜，分成多個步驟。

工具軟件dig可以顯示整個查詢過程。

$ dig math.stackexchange.com

上面的命令會輸出六段信息。

第一段是查詢參數(shù)和統(tǒng)計。

第二段是查詢內(nèi)容。

上面結(jié)果表示，查詢域名math.stackexchange.com的A記錄，A是address的縮寫。

第三段是DNS服務(wù)器的答復(fù)。

上面結(jié)果顯示，math.stackexchange.com有四個A記錄，即四個IP地址。600是TTL值（Time to live 的縮寫），表示緩存時間，即600秒之內(nèi)不用重新查詢。

第四段顯示stackexchange.com的NS記錄（Name Server的縮寫），即哪些服務(wù)器負(fù)責(zé)管理stackexchange.com的DNS記錄。

上面結(jié)果顯示stackexchange.com共有四條NS記錄，即四個域名服務(wù)器，向其中任一臺查詢就能知道m(xù)ath.stackexchange.com的IP地址是什么。

第五段是上面四個域名服務(wù)器的IP地址，這是隨著前一段一起返回的。

第六段是DNS服務(wù)器的一些傳輸信息。

上面結(jié)果顯示，本機的DNS服務(wù)器是192.168.1.253，查詢端口是53（DNS服務(wù)器的默認(rèn)端口），以及回應(yīng)長度是305字節(jié)。

如果不想看到這么多內(nèi)容，可以使用+short參數(shù)。

$ dig +short math.stackexchange.com151.101.129.69
151.101.65.69
151.101.193.69
151.101.1.69

上面命令只返回math.stackexchange.com對應(yīng)的4個IP地址（即A記錄）。

三、DNS服務(wù)器

下面我們根據(jù)前面這個例子，一步步還原，本機到底怎么得到域名math.stackexchange.com的IP地址。

首先，本機一定要知道DNS服務(wù)器的IP地址，否則上不了網(wǎng)。通過DNS服務(wù)器，才能知道某個域名的IP地址到底是什么。

DNS服務(wù)器的IP地址，有可能是動態(tài)的，每次上網(wǎng)時由網(wǎng)關(guān)分配，這叫做DHCP機制；也有可能是事先指定的固定地址。Linux系統(tǒng)里面，DNS服務(wù)器的IP地址保存在/etc/resolv.conf文件。

上例的DNS服務(wù)器是192.168.1.253，這是一個內(nèi)網(wǎng)地址。有一些公網(wǎng)的DNS服務(wù)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。

本機只向自己的DNS服務(wù)器查詢，dig命令有一個@參數(shù)，顯示向其他DNS服務(wù)器查詢的結(jié)果。

$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com

上面命令指定向DNS服務(wù)器4.2.2.2查詢。

四、域名的層級

DNS服務(wù)器怎么會知道每個域名的IP地址呢？答案是分級查詢。

請仔細(xì)看前面的例子，每個域名的尾部都多了一個點。

比如，域名math.stackexchange.com顯示為math.stackexchange.com.。這不是疏忽，而是所有域名的尾部，實際上都有一個根域名。

舉例來說，www.example.com真正的域名是www.example.com.root，簡寫為www.example.com.。因為，根域名.root對于所有域名都是一樣的，所以平時是省略的。

根域名的下一級，叫做”頂級域名”（top-level domain，縮寫為TLD），比如.com、.net；再下一級叫做”次級域名”（second-level domain，縮寫為SLD），比如www.example.com里面的.example，這一級域名是用戶可以注冊的；再下一級是主機名（host），比如www.example.com里面的www，又稱為”三級域名”，這是用戶在自己的域里面為服務(wù)器分配的名稱，是用戶可以任意分配的。

總結(jié)一下，域名的層級結(jié)構(gòu)如下。

主機名.次級域名.頂級域名.根域名
# 即
host.sld.tld.root

五、根域名服務(wù)器

DNS服務(wù)器根據(jù)域名的層級，進行分級查詢。

需要明確的是，每一級域名都有自己的NS記錄，NS記錄指向該級域名的域名服務(wù)器。這些服務(wù)器知道下一級域名的各種記錄。

所謂”分級查詢”，就是從根域名開始，依次查詢每一級域名的NS記錄，直到查到最終的IP地址，過程大致如下。

1. 從”根域名服務(wù)器”查到”頂級域名服務(wù)器”的NS記錄和A記錄（IP地址）

2. 從”頂級域名服務(wù)器”查到”次級域名服務(wù)器”的NS記錄和A記錄（IP地址）

3. 從”次級域名服務(wù)器”查出”主機名”的IP地址

仔細(xì)看上面的過程，你可能發(fā)現(xiàn)了，沒有提到DNS服務(wù)器怎么知道”根域名服務(wù)器”的IP地址?；卮鹗恰备?a target="_blank">域名服務(wù)器”的NS記錄和IP地址一般是不會變化的，所以內(nèi)置在DNS服務(wù)器里面。

下面是內(nèi)置的根域名服務(wù)器IP地址的一個例子。

上面列表中，列出了根域名（.root）的三條NS記錄A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET和C.ROOT-SERVERS.NET，以及它們的IP地址（即A記錄）198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。

另外，可以看到所有記錄的TTL值是3600000秒，相當(dāng)于1000小時。也就是說，每1000小時才查詢一次根域名服務(wù)器的列表。

目前，世界上一共有十三組根域名服務(wù)器，從A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。

六、分級查詢的實例

dig命令的+trace參數(shù)可以顯示DNS的整個分級查詢過程。

$ dig +trace math.stackexchange.com

上面命令的第一段列出根域名.的所有NS記錄，即所有根域名服務(wù)器。

根據(jù)內(nèi)置的根域名服務(wù)器IP地址，DNS服務(wù)器向所有這些IP地址發(fā)出查詢請求，詢問math.stackexchange.com的頂級域名服務(wù)器com.的NS記錄。最先回復(fù)的根域名服務(wù)器將被緩存，以后只向這臺服務(wù)器發(fā)請求。

接著是第二段。

上面結(jié)果顯示.com域名的13條NS記錄，同時返回的還有每一條記錄對應(yīng)的IP地址。

然后，DNS服務(wù)器向這些頂級域名服務(wù)器發(fā)出查詢請求，詢問math.stackexchange.com的次級域名stackexchange.com的NS記錄。

上面結(jié)果顯示stackexchange.com有四條NS記錄，同時返回的還有每一條NS記錄對應(yīng)的IP地址。

然后，DNS服務(wù)器向上面這四臺NS服務(wù)器查詢math.stackexchange.com的主機名。

上面結(jié)果顯示，math.stackexchange.com有4條A記錄，即這四個IP地址都可以訪問到網(wǎng)站。并且還顯示，最先返回結(jié)果的NS服務(wù)器是ns-463.awsdns-57.com，IP地址為205.251.193.207。

七、NS 記錄的查詢

dig命令可以單獨查看每一級域名的NS記錄。

$ dig ns com
$ dig ns stackexchange.com

+short參數(shù)可以顯示簡化的結(jié)果。

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

八、DNS的記錄類型

域名與IP之間的對應(yīng)關(guān)系，稱為”記錄”（record）。根據(jù)使用場景，”記錄”可以分成不同的類型（type），前面已經(jīng)看到了有A記錄和NS記錄。

常見的DNS記錄類型如下。

（1） A：地址記錄（Address），返回域名指向的IP地址。

（2） NS：域名服務(wù)器記錄（Name Server），返回保存下一級域名信息的服務(wù)器地址。該記錄只能設(shè)置為域名，不能設(shè)置為IP地址。

（3）MX：郵件記錄（Mail eXchange），返回接收電子郵件的服務(wù)器地址。

（4）CNAME：規(guī)范名稱記錄（Canonical Name），返回另一個域名，即當(dāng)前查詢的域名是另一個域名的跳轉(zhuǎn)，詳見下文。

（5）PTR：逆向查詢記錄（Pointer Record），只用于從IP地址查詢域名，詳見下文。

一般來說，為了服務(wù)的安全可靠，至少應(yīng)該有兩條NS記錄，而A記錄和MX記錄也可以有多條，這樣就提供了服務(wù)的冗余性，防止出現(xiàn)單點失敗。

CNAME記錄主要用于域名的內(nèi)部跳轉(zhuǎn)，為服務(wù)器配置提供靈活性，用戶感知不到。舉例來說，facebook.github.io這個域名就是一個CNAME記錄。

$ 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

上面結(jié)果顯示，facebook.github.io的CNAME記錄指向github.map.fastly.net。也就是說，用戶查詢facebook.github.io的時候，實際上返回的是github.map.fastly.net的IP地址。這樣的好處是，變更服務(wù)器IP地址的時候，只要修改github.map.fastly.net這個域名就可以了，用戶的facebook.github.io域名不用修改。

由于CNAME記錄就是一個替換，所以域名一旦設(shè)置CNAME記錄以后，就不能再設(shè)置其他記錄了（比如A記錄和MX記錄），這是為了防止產(chǎn)生沖突。舉例來說，foo.com指向bar.com，而兩個域名各有自己的MX記錄，如果兩者不一致，就會產(chǎn)生問題。由于頂級域名通常要設(shè)置MX記錄，所以一般不允許用戶對頂級域名設(shè)置CNAME記錄。

PTR記錄用于從IP地址反查域名。dig命令的-x參數(shù)用于查詢PTR記錄。

$ dig -x 192.30.252.153
...
;; ANSWER SECTION:
153.252.30.192.in-addr.arpa. 3600 IN PTR pages.github.com.

上面結(jié)果顯示，192.30.252.153這臺服務(wù)器的域名是pages.github.com。

逆向查詢的一個應(yīng)用，是可以防止垃圾郵件，即驗證發(fā)送郵件的IP地址，是否真的有它所聲稱的域名。

dig命令可以查看指定的記錄類型。

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

九、其他DNS工具

除了dig，還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命令的簡化版本，返回當(dāng)前請求域名的各種記錄。

$ host github.comgithub.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.comfacebook.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詢，即從IP地址查詢域名，等同于dig -x 。

$ host 192.30.252.153
153.252.30.192.in-addr.arpa domain name pointer pages.github.com.

（2）nslookup 命令

nslookup命令用于互動式地查詢域名記錄。

$ nslookup> facebook.github.io
Server: 192.168.1.253
Address: 192.168.1.253#53Non-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命令用來查看域名的注冊情況。

$ whois github.com

DNS: The Good Parts, by Pete Keen

DNS 101, by Mark McDonnell

附：DNS百科

DNS（Domain Name System，域名系統(tǒng)），因特網(wǎng)上作為域名和IP地址相互映射的一個分布式數(shù)據(jù)庫，能夠使用戶更方便的訪問互聯(lián)網(wǎng)，而不用去記住能夠被機器直接讀取的IP數(shù)串。通過主機名，最終得到該主機名對應(yīng)的IP地址的過程叫做域名解析（或主機名解析）。DNS協(xié)議運行在UDP協(xié)議之上，使用端口號53。在RFC文檔中RFC 2181對DNS有規(guī)范說明，RFC 2136對DNS的動態(tài)更新進行說明，RFC 2308對DNS查詢的反向緩存進行說明。

DNS功能

每個IP地址都可以有一個主機名，主機名由一個或多個字符串組成，字符串之間用小數(shù)點隔開。有了主機名，就不要死記硬背每臺IP設(shè)備的IP地址，只要記住相對直觀有意義的主機名就行了。這就是DNS協(xié)議所要完成的功能。

主機名到IP地址的映射有兩種方式：

1）靜態(tài)映射，每臺設(shè)備上都配置主機到IP地址的映射，各設(shè)備獨立維護自己的映射表，而且只供本設(shè)備使用；

2）動態(tài)映射，建立一套域名解析系統(tǒng)（DNS），只在專門的DNS服務(wù)器上配置主機到IP地址的映射，網(wǎng)絡(luò)上需要使用主機名通信的設(shè)備，首先需要到DNS服務(wù)器查詢主機所對應(yīng)的IP地址。

通過主機名，最終得到該主機名對應(yīng)的IP地址的過程叫做域名解析（或主機名解析）。在解析域名時，可以首先采用靜態(tài)域名解析的方法，如果靜態(tài)域名解析不成功，再采用動態(tài)域名解析的方法?？梢詫⒁恍┏Ｓ玫?a target="_blank">域名放入靜態(tài)域名解析表中，這樣可以大大提高域名解析效率。

DNS安全問題

1.針對域名系統(tǒng)的惡意攻擊：DDOS攻擊造成域名解析癱瘓。

2.域名劫持：修改注冊信息、劫持解析結(jié)果。

3.國家性質(zhì)的域名系統(tǒng)安全事件：“.ly”域名癱瘓、“.af”域名的域名管理權(quán)變更。

4.系統(tǒng)上運行的DNS服務(wù)存在漏洞，導(dǎo)致被黑客獲取權(quán)限，從而篡改DNS信息。

5.DNS設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致泄漏一些敏感信息。提供給黑客進一步攻擊提供有力信息。

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