计算机网络系列dns域名解析系统

Posted 2021-07-11 猿猿HHH

当你在浏览器中输入一个 URL，或者用curl请求一个网址……域名系统（Domain Name System）就开始工作了。作为互联网的一个重要成员，域名系统是将互联网资源和地址关联起来的一个分布式数据库。

DNS 和统一资源你定位符（URL）

域名系统本质是定位资源。互联网中有各种各样的资源，比如视频、图片、文件、网页……为了准确地定位资源，人们发明了统一资源定位符（URL，Uniform Resource Locator），这样我们就可以通过字符串定位一个互联网的资源。

下图是一个 URL 的示例：

• Scheme 部分代表协议，不只有 https，还有 ftp、ssh 等。不同协议代表着不同类型的应用在提供资源。

• Host 部分代表站点，我们今天介绍的 DNS 主要作用就是根据 Host 查找 IP 地址。

• Port 是端口，代表提供服务的应用。

• Path 是路径，代表资源在服务中的路径。

• Query 是查询条件，代表需要的是资源中的某一个部分。

• Fragment 是二级查询条件，通常不在服务端响应，而是用于前端展示定位内容。

总的来说，URL 是一种树状的设计， Host 代表主机（对应的 IP 地址由 DNS 服务提供）；Port 代表应用；Path 代表资源在应用中的路径；Query 代表对资源的查询条件。通过这种设计，互联网中万亿级别的资源都可以得到有效区分。

值得一提的是，树状的设计在今天计算机中也非常常见，比如文件目录的设计、源代码块的嵌套设计、JSON 和 XML 的设计，都是树状关系。这源于人类的思考方式天然地喜欢把事物放到互斥的分类当中。

不过需要注意的是，树状的分类解决不了一个东西在多个类别的情况，而这种情况在多数时候却是真实存在的。真实世界中事物是普遍联系的，所以本质上事物之间的联系应该是图。但是通常情况下，我们会用树处理某一个方面的诉求。比如用 URL 描述资源的位置，然后用搜索引擎通过关键字反查 URL（另一个方面，维度等）。

域名系统

DNS（Domain Name System，域名系统）是一个将域名和 IP 地址相互映射的分布式服务。比如说你想知道 baidu.com 的 IP 地址，就需要通过 DNS 服务获得。这样凡是访问 baidu 的用户，就不需要在浏览器中输入 baidu 的 IP 地址，而是通过一个方便人们记忆的域名。

根域名服务器

DNS 本身是一个出色的分布式架构。

位于最顶层的是根域名服务器（Root Name Server）。人们在全世界范围内搭建了多台根域名服务器，2016 年的统计数据中，全世界目前有 13 台 IPv4 根服务器，25 台 IPv6 根服务器。

根域名服务器存储的不是域名和 IP 的映射关系，而是一个目录。如果将所有的域名记录都存放到根域名服务器，从存储量上来说，不会非常巨大。要知道一个域名记录——域名、IP 地址和额外少量信息，并不需要大量存储空间。但是如果全世界所有的 DNS 请求都集中在少量的根服务器上，这个访问流量就会过于巨大。而且一旦发生故障，很容易导致大面积瘫痪。而且因为根服务器较少，所以如果全部都走根服务器，不同客户端距离根服务器距离不同，感受到的延迟也不一样，这样对用户来说不太友好。

因此，因为流量、防止单点故障、平衡地理分布等问题，根域名服务器只是一个目录，并不提供具体的数据。

域名分级和数据分区

我们知道中文字典可以按照偏旁部首以及拼音索引，和字典类似，根服务器提供的目录也有一定的索引规则。在域名的世界中，通过分级域名的策略建立索引。伴随着域名的分级策略，实际上是域名数据库的拆分。通过域名的分级，可以将数据库划分成一个个区域。

平时我们看到的.com.cn.net等，称为顶级域名。比如对于 www.taobao.com 这个网址来说，com是顶级域名，taobao是二级域名，www是三级域名。域名分级当然是为了建立目录和索引，并对数据存储进行分区。

从上图中可以看到，DNS 的存储设计是一个树状结构。叶子节点中才存放真实的映射关系，中间节点都是目录。存储分成 3 层：

顶部第一级是根 DNS 存储，存储的是顶级域的目录，被称作根 DNS 服务器；

第二级是顶级域存储，存储的是二级域的目录，被称作顶级域 DNS 服务器（Top Level DNS，TLD）；

最后一级是叶子节点，存储的是具体的 DNS 记录，也被称作权威 DNS 服务器。

DNS 查询过程

当用户在浏览器中输入一个网址，就会触发 DNS 查询。这个时候在上述的 3 个层级中，还会增加本地 DNS 服务器层级。本地 DNS 服务器包括用户自己路由器中的 DNS 缓存、小区的 DNS 服务器、ISP 的 DNS 服务器等。

查询过程如下图所示：

结合上图展示的DNS 查询过程，我们再来具体介绍一下 。

• 用户输入网址，查询本地 DNS。本地 DNS 是一系列 DNS 的合集，比如 ISP 提供的 DNS、公司网络提供的 DNS。本地 DNS 是一个代理，将 DNS 请求转发到 DNS 网络中。如果本地 DNS 中已经存在需要的记录，也就是本地 DNS 缓存中找到了对应的 DNS 条目，就会直接返回，而跳过之后的步骤。

• 客户端请求根 DNS 服务器。如果本地 DNS 中没有对应的记录，那么请求会被转发到根 DNS 服务器。根 DNS 服务器只解析顶级域，以“www.lagou.com”为例，根 DNS 服务器只看 com 部分。

• 根 DNS 服务器返回顶级 DNS 服务器的 IP。

• 客户端请求顶级 DNS 服务器，顶级 DNS 服务器中是具体域名的目录。

• 顶级 DNS 服务器返回权威 DNS 服务器的 IP。

• 客户端请求权威 DNS 服务器。在权威 DNS 服务器上存有具体的 DNS 记录。以 lagou 为例，权威 DNS 服务器中可能有和 baidu.com 相关的上百条甚至更多的 DNS 记录，会根据不同的 DNS 查询条件返回。

• 权威 DNS 服务器返回 DNS 记录到本地 DNS 服务器。

• 本地 DNS 服务器返回具体的 DNS 记录给客户端。

在上述 8 个过程全部结束后，客户端通过 DNS 记录中的 IP 地址，可以找到请求服务的主机。在本文的例子中，客户端最终可以找到拉勾网对应的 IP 地址，从而获得 Web 服务。

关于缓存

在上面的例子当中，每一步都有缓存的设计。浏览器会缓存 DNS，此外，操作系统、路由器、本地 DNS 服务器也会……因此，绝大多数情况，请求不会到达根 DNS 服务器。

以拉勾为例，如果在某个时刻同一个区域内有一个用户触发过上述 1~8 的过程，另一个同区域的用户就可以在本地 DNS 服务器中获得 DNS 记录，而不需要再走到根 DNS 服务器。这种设计，我们称作分级缓存策略。

在分级缓存策略中，每一层都会进行缓存，经过一层层的缓存，最终命中根 DNS 服务、顶级 DNS 服务器以及权威 DNS 服务的请求少之又少。这样，互联网中庞大流量的 DNS 查询就不需要大量集中的资源去响应。

DNS 记录

学到这里，我们来看看一个 DNS 记录具体长什么样子：

; 定义www.example.com的ip地址
www.example.com.     IN     A     139.18.28.5;

上面的就是一条 DNS 记录，纯文本即可。IN 代表记录用于互联网，是 Intenet 的缩写。在历史上 Internet 起源于阿帕网，在同时代有很多竞争的网络，IN 这个描述也就保留了下来。

www.example.com 是要解析的域名。A 是记录的类型，A 记录代表着这是一条用于解析 IPv4 地址的记录。从这条记录可知，www.example.com的 IP 地址是 139.18.28.5。;是语句块的结尾，也是注释。

那么除了 A 记录，还有哪些 DNS 记录的类型呢？DNS 记录的类型非常多，有 30 多种。其中比较常见的有 A、AAAA、CNAME、MX，以及 NS 等。接下来我为你一个个介绍。

CNAME

CNAME（Canonical Name Record）用于定义域名的别名，如下面这条 DNS 记录：

; 定义www.example.com的别名
a.example.com.          IN     CNAME   b.example.com.

这条 DNS 记录定义了 a.example.com 是 b.example.com 的别名。用户在浏览器中输入 a.example.com 时候，通过 DNS 查询会知道 a.example.com 是 b.example.com 的别名，因此需要实际 IP 的时候，会去拿 b.example.com 的 A 记录。

这样用户如果在浏览器中输入 a.example.com 实际打开的就是 b.example.com。因为走的是 DNS 查询的路径，速度很快（因为有缓存），不需要 HTTP 重定向等操作。

当你想把一个网站迁移到新域名，旧域名仍然保留的时候；还有当你想将自己的静态资源放到 CDN 上的时候，CNAME 就非常有用。

AAAA 记录

前面我们提到，A 记录是域名和 IPv4 地址的映射关系。和 A 记录类似，AAAA 记录则是域名和 IPv6 地址的映射关系。

MX 记录（Mail Exchanger Record）

MX 记录是邮件记录，用来描述邮件服务器的域名。

NS 记录

NS（Name Server）记录是描述 DNS 服务器网址。从 DNS 的存储结构上说，Name Server 中含有权威 DNS 服务的目录。也就是说，NS 记录指定哪台 Server 是回答 DNS 查询的权威域名服务器。

当一个 DNS 查询看到 NS 记录的时候，会再去 NS 记录配置的 DNS 服务器查询，得到最终的记录。如下面这个例子：

a.com.     IN      NS      ns1.a.com.
a.com.     IN      NS      ns2.a.com.

当解析 a.com 地址时，我们看到 a.com 有两个 NS 记录，所以确定最终 a.com 的记录在 ns1.a.com 和 ns2.a.com 上。从设计上看，ns1 和 ns2 是网站 a.com 提供的智能 DNS 服务器，可以提供负载均衡、分布式 Sharding 等服务。比如当一个北京的用户想要访问 a.com 的时候，ns1 看到这是一个北京的 IP 就返回一个离北京最近的机房 IP。

上面代码中 a.com 配置了两个 NS 记录。通常 NS 不会只有一个，这是为了保证高可用，一个挂了另一个还能继续服务。通常数字小的 NS 记录优先级更高，也就是 ns1 会优先于 ns2 响应。

配置了上面的 NS 记录后，如果还配置了 a.com 的 A 记录，那么这个 A 记录会被 NS 记录覆盖。

总结

总结一下，用树状结构来分类和索引符合人类的直觉和习惯，URL 的设计遵循的依然是人的思考方式。URL 中的 HOST 部分需要被解析为 IP 地址，于是就有了域名系统（DNS）。域名系统是一个分级的分布式系统，整体设计也是一个树状结构。顶层的根域名服务器和中间的顶级域名服务器，存储的是目录，最终的 DNS 记录由权威域名服务器提供。DNS 记录并不仅仅只有映射 IP 一种能力，DNS 记录还可以设置网站的别名、邮件服务器、DNS 记录位置等能力。