超詳細 DNS 協(xié)議解析

時間：2023-02-02 14:52:02 | 來源：建站知識

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為了保證網(wǎng)址的正常訪問，域名解析協(xié)議（DNS）其實在背后做出了很多努力，本文將透徹講解 DNS 協(xié)議的原理，了解我們每天都在接觸的網(wǎng)址到底是怎么工作的。

為了保證網(wǎng)址的正常訪問，域名解析協(xié)議（DNS）其實在背后做出了很多努力，本文將透徹講解 DNS 協(xié)議的原理，了解我們每天都在接觸的網(wǎng)址到底是怎么工作的。

1. 什么是 DNS 協(xié)議

在學(xué)習(xí) DNS 協(xié)議之前，我們先區(qū)分一下域名和 IP 地址這個兩個概念：

• IP 地址：一長串能夠唯一地標記網(wǎng)絡(luò)上的計算機的數(shù)字
• 域名：又稱網(wǎng)域，是由一串用點分隔的名字組成的 Internet 上某一臺計算機或計算機組的名稱，用于在數(shù)據(jù)傳輸時對計算機的定位標識（有時也指地理位置）比如 www.baidu.com

不知道有沒有同學(xué)會混淆域名和網(wǎng)址的概念，可以這樣理解，網(wǎng)址里面含有域名。舉個例子：www.gitee.com/veal98 就是一個網(wǎng)址，而 www.gitee.com 就是域名

由于 IP 地址具有不方便記憶并且不能顯示地址組織的名稱和性質(zhì)等缺點，人們設(shè)計出了域名，并通過域名解析協(xié)議（DNS，Domain Name System）來將域名和 IP 地址相互映射，使人更方便地訪問互聯(lián)網(wǎng)，而不用去記住能夠被機器直接讀取的 IP 地址數(shù)串。將域名映射成 IP 地址稱為正向解析，將 IP 地址映射成域名稱為反向解析。

???? DNS 協(xié)議可以使用 UDP 或者 TCP 進行傳輸，使用的端口號都為 53。但大多數(shù)情況下 DNS 都使用 UDP 進行傳輸。

2. 域名詳解

? 那么域名由誰來規(guī)定和管理呢？不能是隨便寫吧？

全世界域名的最高管理機構(gòu)，是一個叫做 ICANN （Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）的組織，總部在美國加州。ICANN 負責(zé)管理全世界域名系統(tǒng)的運作。







域名其實是具有一定的層次結(jié)構(gòu)的，從上到下依次為：根域名、頂級域名（top level domain，TLD）、二級域名、（三級域名）

① 頂級域名

先來講講頂級域名（TLD），即最高層級的域名。簡單說，就是網(wǎng)址的最后一個部分。比如，網(wǎng)址www.baidu.com 的頂級域名就是 .com。ICANN 的一項主要工作，就是規(guī)定哪些字符串可以當作頂級域名。截至 2015 年 7 月，頂級域名共有 1058 個，它們大致可以分成兩類：

• 一類是通用頂級域名（gTLD），比如.com、.net、.edu、.org、.xxx等等，共有 700 多個。
• 另一類是國家頂級域名（ccTLD），代表不同的國家和地區(qū)，比如.cn（中國）、.io（英屬印度洋領(lǐng)地）、.cc（ 科科斯群島）、.tv（圖瓦盧）等，共有 300 多個。

當然，ICANN 自己不會去管理這些頂級域名，因為根本管不過來。想想看，頂級域名有1000多個，每個頂級域名下面都有許多批發(fā)商，如果每個都要管，就太麻煩了。ICANN 的政策是，每個頂級域名都找一個托管商，該域名的所有事項都由托管商負責(zé)。ICANN 只與托管商聯(lián)系，這樣管理起來就容易多了。舉例來說，.cn 國家頂級域名的托管商就是中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC），它決定了 .cn 域名的各種政策。

② 二級域名

而二級域名(Second Level Domain,SLD) 在通用頂級域名或國家頂級域名之下具有不同的意義：

• 通用頂級域名下的二級域名：一般是指域名注冊人選擇使用的網(wǎng)上名稱，如 yahoo.com（商業(yè)組織通常使用自己的商標、商號或其他商業(yè)標志作為自己的網(wǎng)上名稱，如 baidu.com）
• 國家頂級域名下的二級域名：一般是指類似于通用頂級域名的表示注冊人類別和功能的標志。例如，在 .com.cn 域名結(jié)構(gòu)中，.com 此時是置于國家頂級域名 .cn 下的二級域名，表示中國的商業(yè)性組織，以此類推。

三級域名是形如 www.baidu.com 的域名，可以當做是二級域名的子域名，特征為域名包含兩個 .。對于域名所有者/使用者而言，三級域名都是二級域名的附屬物而無需單獨費用。三級域名甚至不能稱為域名，一般稱之為域名下的 “二級目錄”。

③ 根域名

? 那么根域名在哪里呢？在層次結(jié)構(gòu)中根域名不是最頂級的嗎？域名中怎么沒有看見它？

由于 ICANN 管理著所有的頂級域名，所以它是最高一級的域名節(jié)點，被稱為根域名（root domain）。在有些場合，www.xxx.com 被寫成 www.xxx.com.，即最后還會多出一個點。這個點就是根域名。







理論上，所有域名的查詢都必須先查詢根域名，因為只有根域名才能告訴你，某個頂級域名由哪臺服務(wù)器管理。事實上也確實如此，ICANN 維護著一張列表（根域名列表），里面記載著頂級域名和對應(yīng)的托管商。







比如，我要訪問abc.xyz，也必須先去詢問根域名列表，它會告訴我 .xyz 域名由 CentralNic 公司托管。根域名列表還記載，.google由谷歌公司托管，.apple由蘋果公司托管等等。

由于根域名列表很少變化，大多數(shù) DNS 服務(wù)商都會提供它的緩存，所以根域名的查詢事實上不是那么頻繁。

3. 域名服務(wù)器詳解

域名服務(wù)器是指管理域名的主機和相應(yīng)的軟件，它可以管理所在分層的域的相關(guān)信息。一個域名服務(wù)器所負責(zé)管里的分層叫作 區(qū) (ZONE)。域名的每層都設(shè)有一個域名服務(wù)器：

• 根域名服務(wù)器
• 頂級域名服務(wù)器
• 權(quán)限域名服務(wù)器

下面這幅圖就很直觀了：







除了上面三種 DNS 服務(wù)器，還有一種不在 DNS 層次結(jié)構(gòu)之中，但是很重要的 DNS 服務(wù)器，即本地域名服務(wù)器。下面我們分別講解這四種服務(wù)器都是用來干什么的 ????

① 根域名服務(wù)器

上面我們提到，ICANN 維護著一張根域名列表，里面記載著頂級域名和對應(yīng)的托管商，其實根域名列表的正式名稱是 DNS 根區(qū)（DNS root zone），保存 DNS 根區(qū)文件的服務(wù)器，就叫做 DNS 根域名服務(wù)器（root name server）。根域名服務(wù)器保存所有的頂級域名服務(wù)器的地址

由于早期的 DNS 查詢結(jié)果是一個 512 字節(jié)的 UDP 數(shù)據(jù)包。這個包最多可以容納 13 個服務(wù)器的地址，因此就規(guī)定全世界有 13 個根域名服務(wù)器，編號從 a.root-servers.net 一直到 m.root-servers.net。其中 10 臺設(shè)置在美國，另外各有一臺設(shè)置于荷蘭、瑞典和日本。

前面我們說過，理論上所有域名的查詢都必須先查詢根域名，所以一般來說所有的域名服務(wù)器都會注冊一份根域名服務(wù)器的 IP 地址的緩存，用于在必要的時候向其發(fā)送請求。

② 頂級域名服務(wù)器

按照根域名服務(wù)器管理頂級域名的邏輯，頂級域名服務(wù)器顯然就是用來管理注冊在該頂級域名下的所有二級域名的，記錄這些二級域名的 IP 地址。

③ 權(quán)限域名服務(wù)器

按照上面的邏輯，權(quán)限域名服務(wù)器應(yīng)該是管理注冊在二級域名下的所有三/四級域名的，但其實不是這樣，如果一個二級域名或者一個三/四級域名對應(yīng)一個域名服務(wù)器，則域名服務(wù)器數(shù)量會很多，我們需要使用劃分區(qū)的辦法來解決這個問題。那么權(quán)限域名服務(wù)器就是負責(zé)管理一個“區(qū)”的域名服務(wù)器。

? 什么是區(qū)？怎樣劃分區(qū)呢？

區(qū)和域其實是不同的，區(qū)可以有多種不同的劃分方法。以百度為例，我們假設(shè)有 fanyi.baidu.com、ai.baidu.com、tieba.baidu.com 這三個三級域名。我們可以這樣分區(qū)，fanyi.baidu.com 和 tieba.baidu.com 放在 baidu.com 權(quán)限域名服務(wù)器，ai.baidu.com 放在 ai.baidu.com 權(quán)限域名服務(wù)器中。并且 baidu.com 權(quán)限域名服務(wù)器和 ai.baidu.com 權(quán)限域名服務(wù)器是同等地位的，而具體怎么分區(qū)是百度公司根據(jù)域名多少、訪問多少等情況去自己規(guī)定的。

畫個圖直觀理解一下：

④ 本地域名服務(wù)器

除了上面三種 DNS 服務(wù)器，還有一種不在 DNS 層次結(jié)構(gòu)之中，但是很重要的 DNS 服務(wù)器，就是本地域名服務(wù)器（也被稱為權(quán)威域名服務(wù)器）。本地域名服務(wù)器是電腦解析時的默認域名服務(wù)器，即電腦中設(shè)置的首選 DNS 服務(wù)器和備選 DNS 服務(wù)器。常見的有電信、聯(lián)通、谷歌、阿里等的本地 DNS 服務(wù)。




每個因特網(wǎng)服務(wù)提供者或一所大學(xué)，甚至一所大學(xué)中的各個系，都可以擁有一個本地域名服務(wù)器。當一臺主機發(fā)出 DNS 查詢請求時，這個查詢請求報文就發(fā)送給該主機的本地域名服務(wù)器。本地域名服務(wù)器管理本地域名的解析和映射，并且能夠向上級域名服務(wù)器進行查詢。

那么具體本地域名服務(wù)器是如何向上級域名服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)查詢請求的呢？

4. DNS 查詢方式

具體 DNS 查詢的方式有兩種：

• 遞歸查詢
• 迭代查詢

所謂迭代就是，如果請求的接收者不知道所請求的內(nèi)容，那么接收者將扮演請求者，發(fā)出有關(guān)請求，直到獲得所需要的內(nèi)容，然后將內(nèi)容返回給最初的請求者。

???? 通俗點來說，在遞歸查詢中，如果 A 請求 B，那么 B 作為請求的接收者一定要給 A 想要的答案；而迭代查詢則是指，如果接收者 B 沒有請求者 A 所需要的準確內(nèi)容，接收者 B 將告訴請求者 A，如何去獲得這個內(nèi)容，但是自己并不去發(fā)出請求。

一般來說，域名服務(wù)器之間的查詢使用迭代查詢方式，以免根域名服務(wù)器的壓力過大。通過下面這兩個圖就能很好的理解了 ????

1）遞歸查詢：

2）迭代查詢：

5. 域名緩存

上面講解的是域名服務(wù)器之間的 DNS 查詢請求過程，但實際上，每個時刻都有無數(shù)網(wǎng)民要上網(wǎng)，那每次都去訪問本地域名服務(wù)器去獲取 IP 地址顯然是不實際的。解決方法就是使用緩存保存域名和 IP 地址的映射。

計算機中 DNS 記錄在本地有兩種緩存方式：瀏覽器緩存和操作系統(tǒng)緩存。

1）瀏覽器緩存：瀏覽器在獲取網(wǎng)站域名的實際 IP 地址后會對其進行緩存，減少網(wǎng)絡(luò)請求的損耗。每種瀏覽器都有一個固定的 DNS 緩存時間，如 Chrome 的過期時間是 1 分鐘，在這個期限內(nèi)不會重新請求 DNS

2）操作系統(tǒng)緩存：操作系統(tǒng)的緩存其實是用戶自己配置的 hosts 文件。比如 Windows10 下的 hosts 文件存放在 C:/Windows/System32/drivers/etc/hosts




Windows 系統(tǒng)默認開啟 DNS 緩存服務(wù)，服務(wù)名是 DNSClient，可以緩存一些常用的域名。

使用命令 ipconfig/displaydns 可以查看電腦中緩存的域名。




? 在瀏覽器中進行訪問的時候，會優(yōu)先查詢?yōu)g覽器緩存，如果未命中則繼續(xù)查詢操作系統(tǒng)緩存，最后再查詢本地域名服務(wù)器，然后本地域名服務(wù)器會遞歸的查找域名記錄，最后返回結(jié)果。主機和本地域名服務(wù)器之間的查詢方式是遞歸查詢，也就是說主機請求本地域名服務(wù)器，那么本地域名服務(wù)器作為請求的接收者一定要給主機想要的答案。

6. 完整域名解析過程

OK，將我們上面所說的域名服務(wù)器之間的 DNS 查詢請求過程和域名緩存結(jié)合起來，就是一個完整的 DNS 協(xié)議進行域名解析的過程。這里我們以正向解析為例（域名解析成 IP 地址）：

1）首先搜索瀏覽器的 DNS 緩存，緩存中維護一張域名與 IP 地址的對應(yīng)表；

2）若沒有命中，則繼續(xù)搜索操作系統(tǒng)的 DNS 緩存；

3）若仍然沒有命中，則操作系統(tǒng)將域名發(fā)送至本地域名服務(wù)器，本地域名服務(wù)器查詢自己的 DNS 緩存，查找成功則返回結(jié)果（注意：主機和本地域名服務(wù)器之間的查詢方式是遞歸查詢）；

4）若本地域名服務(wù)器的 DNS 緩存沒有命中，則本地域名服務(wù)器向上級域名服務(wù)器進行查詢，通過以下方式進行迭代查詢（注意：本地域名服務(wù)器和其他域名服務(wù)器之間的查詢方式是迭代查詢，防止根域名服務(wù)器壓力過大）：

• 首先本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器發(fā)起請求，根域名服務(wù)器是最高層次的，它并不會直接指明這個域名對應(yīng)的 IP 地址，而是返回頂級域名服務(wù)器的地址，也就是說給本地域名服務(wù)器指明一條道路，讓他去這里尋找答案
• 本地域名服務(wù)器拿到這個頂級域名服務(wù)器的地址后，就向其發(fā)起請求，獲取權(quán)限域名服務(wù)器的地址
• 本地域名服務(wù)器根據(jù)權(quán)限域名服務(wù)器的地址向其發(fā)起請求，最終得到該域名對應(yīng)的 IP 地址

4）本地域名服務(wù)器將得到的 IP 地址返回給操作系統(tǒng)，同時自己將 IP 地址緩存起來

5）操作系統(tǒng)將 IP 地址返回給瀏覽器，同時自己也將 IP 地址緩存起來

6）至此，瀏覽器就得到了域名對應(yīng)的 IP 地址，并將 IP 地址緩存起來

配合下圖直觀理解：