DNS工作原理讲解

Posted 2020-12-28

    我们通常使用域名来访问目标机器，而不是直接使用其IP地址，那么域名与IP地址之间存在什么样子的转化关系呢？想要了解他们之间的转化关系，我们不得不提域名查询服务。域名查询服务具有很多种实现方式，例如：NIS（Network Information Service，网络信息服务）、DNS和本地静态文件等。本次主要讲解DNS。

1. DNS请求/应答报文详解

    DNS是一套分布式的域名服务系统。每个DNS服务器中都存放着大量的域名与IP地址之间的映射，并且是动态更新的。众多网络客户端程序是通过DNS协议去域名服务器中查询目标IP地址的。DNS查询与应答报文格式如下图所示：

0                                                                     15 16                                                                   31

16位标识位（ID）	16位标志位
16位请求记录数目	16位应答记录数目
16位授权记录数目	16位额外记录数目
32位查询记录信息
应答记录信息（长度可变）
授权记录信息（长度可变）
额外记录信息（长度可变）

    16位标识字段是用来标记一对查询/应答报文的，通过查询该字段来确定返回的应答报文是由哪一个查询报文发出的。

    16位标志字段是用来协商通信方式和返回通信状态的，DNS头部报文标识字段的具体细节如下图所示：

QR	opcode	AA	TC	RD	RA	zero	rcode
1位	4位	1位	1位	1位	1位	3位	4位

    各个标识符的含义分别是：

• QR：查询/应答标识，0标识查询，1标识应答。

• opcode：定义查询和应答的类型。0标识标准查询，1标识反向查询（根据IP地址查询域名），2标识请求服务器状态。

• AA：授权服务器应答标识。1标识域名服务器是授权服务器。

• TC：截断标识，仅当DNS报文使用UDP服务时使用。因为UDP数据包有长度限制，当长度过长时会被截断。1标识DNS报文长度超过512字节，并被截断。

• RD：递归查询标识。1标识执行递归查询，即DNS服务器无法解析某一个主机名，则它向其它DNS服务器继续查询，如此反复，直到它解析到目标主机名并返回给客户端。0标识迭代查询，即DNS服务器无法解析目标主机时，它将查询到的其它DNS服务器的IP地址返回给客户端，供客户端进行参考。

• RA：允许递归标识。此字段在应答字段中使用，1标识DNS服务器支持递归查询。

• zero：默认为0，属于保留字段。

• rcode：4位返回码，标识应答状态。常用值有0（无错误）和3（域名不存在）

  接下来的四个字段分别指出了DNS报文最后四个字段的资源记录数目。对查询报文而言，它一般包含一个查询问题，而应答记录数目、授权记录数目、额外记录数目为0.对于应答报文而言，应答记录数目至少是1，而授权记录数目和额外记录数目可为0或非0.

    查询问题格式如下：

0                                                                    15 16                                                                  31

查询名
16位查询类型	16位查询类

    查询名以一定的格式封装了要查询的主机域名。16位查询类型表示如何执行查询操作，常见的查询操作如下所示：

•     类型A：值是1，表示获取目标主机的IP地址。

•     类型CNAME：值是5，表示获取目标主机的别名。

•     类型PTR：值是12，表示反向查询。

  16位查询类通常是1，表示获取因特网地址（IP地址）

  应答字段、授权字段、额外字段都采用了资源记录格式。资源记录格式如下所示：

  0                                                                15  16                                                             31

  32位域名
  16位类型	16位类
  32位生存时间
  16位资源记录数据长度	资源数据
  资源数据

     表中的32位域名是该记录中与资源对应的名字，其格式与查询记录中的查询域名所对应的格式一样。16位类型和16位类与DNS中查询记录中对应的字段格式一样。

     32位生存时间表示该查询记录结果可被客户端缓存多久，单位：秒。

     16位资源记录数据长度和资源数据字段的内容取决于类型字段。对于A类型而言，资源数据是32位IPV4地址，而资源记录长度为4（单位：字节）。

    至此，我们简要地介绍了DNS协议，接下来我们以具体例子来看DNS协议。

2. Linux下访问DNS服务

    我们要访问DNS服务，就必须要先知道DNS服务器的IP地址。Linux使用/etc/resolv.conf文件来存放DNS服务器的IP地址。在Ubuntu上，该文件的内容如下：

    第一个IP地址代表DNS服务器地址。

    Linux下一个常用的访问DNS服务器的客户端程序是host，比如下面的命令是向着DNS服务器127.0.0.1查询机器www.baidu.com的IP地址：

    host命令的输出告诉我们，机器名www.baidu.com是www.a.shifen.com的别名，并且该别名对应着两个IP地址。host命令使用DNS协议和DNS服务器通信，其-t选项告诉DNS协议使用哪种查询类型。我们这里使用的是A类型，即通过机器的域名获取其IP地址（但实际返回资源中还包含着机器的别名）。关于host命令的详细使用方法，请参考man手册。

3.使用TCPDUMP观察DNS通信过程

   为了看清楚DNS通信过程，下面我们将从Ubuntu上面运行host命令一查询主机www.baidu.com对应的IP地址，并使用tcpdump抓取这一过程中LAN上传输的以太网帧的数据包，具体操作如下：

  这一次执行tcpdump抓包时，我们使用“port domain”来过滤数据包，表示只抓取domain域名服务的数据包，即DNS查询和应答报文，tcpdump的输出如下：

    这两个数据包开始的“IP”指出，他们后面描述的内容是IP数据报。tcpdump以“IP地址：端口号”的形式来描述通信的某一端：以“>”表示数据传输方向，“>”前面是源端，后面是目的端。第一个数据包是测试机器Ubuntu（IP地址是192.168.48.2.53）发送的DNS查询报文（目标端口53是DNS服务器使用的端口，这一点我们在前面介绍过），第二个数据包是服务器反馈的DNS应答报文。