DNS原理学习

DNS (Domain Name System )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

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。

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$ dig math.stackexchange.com

上面的命令会输出六段信息。

第一段是查询参数和统计。

第二段是查询内容。

上面结果表示,查询域名math.stackexchange.comA记录,Aaddress的缩写。
第三段是DNS服务器的答复。

上面结果显示,math.stackexchange.com有四个A记录,即四个IP地址。600是TTL值(Time to live 的缩写),表示缓存时间,即600秒之内不用重新查询。
第四段显示stackexchange.comNS记录(Name Server的缩写),即哪些服务器负责管理stackexchange.com的DNS记录。

上面结果显示stackexchange.com共有四条NS记录,即四个域名服务器,向其中任一台查询就能知道math.stackexchange.com的IP地址是什么。
第五段是上面四个域名服务器的IP地址,这是随着前一段一起返回的。

第六段是DNS服务器的一些传输信息。

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。

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$ dig +short math.stackexchange.com

151.101.129.69
151.101.65.69
151.101.193.69
151.101.1.69

上面命令只返回math.stackexchange.com对应的4个IP地址(即A记录)。

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。

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$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com

上面命令指定向DNS服务器4.2.2.2查询。

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。

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主机名.次级域名.顶级域名.根域名

# 即

host.sld.tld.root

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,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。

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

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。

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$ dig +trace math.stackexchange.com

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。

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。

上面结果显示.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

NS 记录的查询

dig命令可以单独查看每一级域名的NS记录。

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$ dig ns com
$ dig ns stackexchange.com

+short参数可以显示简化的结果。

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

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记录:将域名指向一个IPv4地址(例如:100.100.100.100),需要增加A记录
  2. CNAME记录:如果将域名指向一个域名,实现与被指向域名相同的访问效果,需要增加CNAME记录。这个域名一般是主机服务商提供的一个域名
  3. MX记录:建立电子邮箱服务,将指向邮件服务器地址,需要设置MX记录。建立邮箱时,一般会根据邮箱服务商提供的MX记录填写此记录
  4. NS记录:域名解析服务器记录,如果要将子域名指定某个域名服务器来解析,需要设置NS记录
  5. TXT记录:可任意填写,可为空。一般做一些验证记录时会使用此项,如:做SPF(反垃圾邮件)记录
  6. AAAA记录:将主机名(或域名)指向一个IPv6地址(例如:ff03:0:0:0:0:0:0:c1),需要添加AAAA记录
  7. SRV记录:添加服务记录服务器服务记录时会添加此项,SRV记录了哪台计算机提供了哪个服务。格式为:服务的名字.协议的类型(例如:_example-server._tcp)。
  8. SOA记录:SOA叫做起始授权机构记录,NS用于标识多台域名解析服务器,SOA记录用于在众多NS记录中那一台是主服务器
  9. PTR记录:PTR记录是A记录的逆向记录,又称做IP反查记录或指针记录,负责将IP反向解析为域名
  10. 显性URL转发记录:将域名指向一个http(s)协议地址,访问域名时,自动跳转至目标地址。例如:将www.liuht.cn显性转发到www.itbilu.com后,访问www.liuht.cn时,地址栏显示的地址为:www.itbilu.com。
  11. 隐性UR转发记录L:将域名指向一个http(s)协议地址,访问域名时,自动跳转至目标地址,隐性转发会隐藏真实的目标地址。例如:将www.liuht.cn显性转发到www.itbilu.com后,访问www.liuht.cn时,地址栏显示的地址仍然是:www.liuht.cn。

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。

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$ 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

上面结果显示,facebook.github.ioCNAME记录指向github.map.fastly.net。也就是说,用户查询facebook.github.io的时候,实际上返回的是github.map.fastly.net的IP地址。这样的好处是,变更服务器IP地址的时候,只要修改github.map.fastly.net这个域名就可以了,用户的facebook.github.io域名不用修改。
由于CNAME记录就是一个替换,所以域名一旦设置CNAME记录以后,就不能再设置其他记录了(比如A记录和MX记录),这是为了防止产生冲突。举例来说,foo.com指向bar.com,而两个域名各有自己的MX记录,如果两者不一致,就会产生问题。由于顶级域名通常要设置MX记录,所以一般不允许用户对顶级域名设置CNAME记录。
PTR记录用于从IP地址反查域名。dig命令的-x参数用于查询PTR记录。

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$ dig -x 192.30.252.153

...

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

上面结果显示,192.30.252.153这台服务器的域名是pages.github.com
逆向查询的一个应用,是可以防止垃圾邮件,即验证发送邮件的IP地址,是否真的有它所声称的域名。
dig命令可以查看指定的记录类型。

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

常见问题

DNS解析中一些问题

A记录与CNAME记录

A记录是把一个域名解析到一个IP地址,而CNAME记录是把域名解析到另外一个域名,而这个域名最终会指向一个A记录,在功能实现在上A记录与CNAME记录没有区别。
CNAME记录在做IP地址变更时要比A记录方便。CNAME记录允许将多个名字映射到同一台计算机,当有多个域名需要指向同一服务器IP,此时可以将一个域名做A记录指向服务器IP,然后将其他的域名做别名(即:CNAME)到A记录的域名上。当服务器IP地址变更时,只需要更改A记录的那个域名到新IP上,其它做别名的域名会自动更改到新的IP地址上,而不必对每个域名做更改。

A记录与AAAA记录

二者都是指向一个IP地址,但对应的IP版本不同。A记录指向IPv4地址,AAAA记录指向IPv6地址。AAAA记录是A记录的升级版本。

IPv4与IPv6

IPv4,是互联网协议(Internet Protocol,IP)的第四版,也是第一个被广泛使用的版本,是构成现今互联网技术的基础协议。IPv4 的下一个版本就是IPv6,在将来将取代目前被广泛使用的IPv4
IPv4中规定IP地址长度为32位(按TCP/IP参考模型划分) ,即有2^32-1个地址。IPv6的提出最早是为了解决,随着互联网的迅速发展IPv4地址空间将被耗尽的问题。为了扩大地址空间,IPv6将IP地址的长度由32位增加到了128位。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外,还解决了IPv4中的其它问题,如:端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。

TTL值

TTL-生存时间(Time To Live),表示解析记录在DNS服务器中的缓存时间,TTL的时间长度单位是秒,一般为3600秒。比如:在访问www.itbilu.com时,如果在DNS服务器的缓存中没有该记录,就会向某个NS服务器发出请求,获得该记录后,该记录会在DNS服务器上保存`TTL`的时间长度,在`TTL`有效期内访问`www.example.com`,DNS服务器会直接缓存中返回刚才的记录。

其他DNS工具

除了dig,还有一些其他小工具也可以使用。

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。

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$ 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

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 <ip>

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$ host 192.30.252.153

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

nslookup 命令

nslookup命令用于互动式地查询域名记录。

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$ 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

>

whois 命令

whois命令用来查看域名的注册情况。

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$ whois github.com

原文出自 DNS 原理入门