DNS 服务原理详解

作者: C86guli | 来源:发表于2016-07-30 09:57 被阅读1784次

目录：

一些基本概念
- 主机名
- DNS
- 名称解析
  - DNS 解析的后端存储
  - 名称解析总结
大规模域名解析的体系架构
- DNS 解析需要分布式的架构
  - 早期使用本地 hosts 文件解析方式
  - 中期由中心 DNS 服务器提供 hosts 文件
  - 域名解析查找结果被缓存，以减轻服务器压力
  - 域名解析进入分布式阶段
真正域名查询的过程
DNS 中涉及的概念详解
- DNS正向解析，反向解析
- DNS 的 zone(区域解析库)
- 区域解析库详解（zone）
- 主DNS服务器/权威DNS服务器是怎么工作的
  - DNS 服务器负责本地域内主机名的解析
  - DNS 服务器如何处理非本地域名的解析
- DNS客户端进行域名解析的流程
  - 非权威应答
  - 缓存DNS服务器
  - DNS 转发器
- 辅助(从)DNS服务器
  - 主从服务器间的区域传送
  - 完全区域传送
  - 增量区域传送
- 区域解析库中的资源记录类型

一些基本概念

主机名

www.magedu.com: 这是一个常见的网站主机名，这个名称被称为：FQDN - Full Qualified Domain Name

DNS

DNS：Domain Name Service - 域名解析服务

DNS 也是 C/S 架构的，有客户端、服务器两个部分。

服务器端一般是 BIND，BIND - Berkley Internet Name Domain
客户端一般是共享库 - 由其他应用调用

DNS端口: 53/udp, 53/tcp

主机名和域名是不同的:

www.magedu.com - 这是主机名
.magedu.com. - 这是域名

名称解析

名称解析是什么：名称解析 - 把一种名称转换为另一种名称。
名称是一个“字符串” <—-> “数字” 相互转换

DNS 解析的后端存储

DNS 的解析，在背后依靠解析库进行转换。在“某种存储”中，存储了每一个“名称”和“数字”的对应关系。

“某种存储” 指不同格式的存放：

1，文本文件

缺陷，当文本信息过大时，如 100w 条信息，这时查找一条信息是非常低效的。所以文本文件不适合大量数据的存储，因为检索效率不好。

另一方面，文本文件过大时，因为需要将整个文件载入内存中，这也很可能造成性能问题(大量 I/O 操作)。

2，关系型数据库 - 支持索引，快速的检索效率

它把“搜索键值”单独抽取出来，即“索引”，单独做成小型数据库用于检索，查找时，只需要查找到“索引”，即可返回对应的查找条目。

“索引” 可看做一条信息的 “特征信息”，与 “hash特征码” 的思路有点类似。它指向对应的那一条信息在文件中的存储位置(磁盘 block，因为文件以 block 为单位存放数据)。

关系型数据库仍然存在的问题，即当数据达到“百万”、“千万”、“上亿”的级别时，索引文件就变成很大，其效率并不一定会很理想。

有时为提高效率，会给索引再作一次索引(将一定范围内的索引，做成一个索引)，乃至多级索引，以减小索引文件的大小，以提高检索的效率。

索引有“稠密”索引和“稀疏”索引之分

“稠密”索引 - 每一条数据对应一条索引
“稀疏”索引 - 比如二级索引，将100条一级索引做成一个索引，相当于划分段落。

3，LDAP

比关系型数据库的索引检索效率，高不止一个数量级的：

LDAP: Lightweight Directory Access Protocol, 389/tcp

LDAP 尤其适用于 “用户名” 检索。

名称解析总结

所以，解析库，就是以某种合适的方式存储“键值对”信息的数据库(文本文件、关系型数据
库、LDAP 等等)

解析: 根据用户提供的名称，去查询(以名称为“键值”)解析库，最终得到期望得到的另一
种名称，这一过程被称为“解析”的过程。

对客户的而言，这一过程，是查询请求，对于服务端，是将查询结果返回给客户端。
这就是“名称解析”的概念。

大规模域名解析的体系架构

互联网上的域名的数量的规模之大(100亿+)，放在什么存储里面合适呢? 解析的速度怎么提升? 而且全球对于域名解析的请求何其多，怎么响应每一个请求呢？

每秒100w的请求，能够支撑吗? 什么是解析过程，DNS 背后的工作机制是怎样的?

有多个用户请求时，进程是怎么响应的呢？这也就是并发用户请求的概念，有很多用户，很多请求，同时连接到当前主机上来。每一个请求都要去响应的。

DNS 解析需要分布式的架构

一般来讲，进程需要用一个建立连接的套接字，而非监听的套接字来响应请求。早期的并发用户响应模型，都是使用“进程”来响应的。来一个用户请求，启动一个进程响应该用户的请求，有多个用户，就启动多个进程响应请求。如果有100w个用户请求进来会发送什么情况呢？假设一个进程需要 “5M” 内存，100w个请求，需要100w个进程，
需要的内存就是 “500万M” 内存。这对于一台服务器是不可能的，任何一台服务器，都不可能满足互联网上名称解析请求的要求。

所以，这些请求，将他们分散至多个不同服务器上，才能承担起这个量级的压力。

这即是分布式的应用

进一步的，分布式的每个服务器，存储的是整个互联网的“名称解析”数据，还是一部分呢。如果是一部分，怎么把用户请求，路由到正确的位置(存储了跟请求的名称相关数据的服务器)？这些都是 “DNS” 需要解决的问题。

早期使用本地 hosts 文件解析方式

在早期来说，互联网上的主机数量还不多的时候，因为IP地址难以记忆，所以催生了对于“主机名” 的需求，人们希望使用“主机名” 与服务器通信。而在那时，完成这个工作的实现方式，是在本地的文件中存放 “IP地址” 与 “目标主机名” 的对应关系，这个文件就是“hosts” 文件。

最初的互联网发展速度很慢，几年之间，也不过增加百十来台服务器，所以通过文本文件记录这些信息仍然足够使用。但到后来，互联网上的服务器开始成倍增加时，就需要一种更好地方式来管理 ”主机名” 和 “IP地址” 之间的关系了。

中期由中心 DNS 服务器提供 hosts 文件

IANA: 负责互联网地址分配，管理互联网上 ”主机名” 和 “IP地址” 对应关系。早期的实现，是将解析库（文本文件)通过 ftp 发布出来。各地的Unix主机管理员，需要设定任务计划，去定时的获取解析库文件到本地，实时更新。

客户端应用当有名称解析的请求时，通过调用 DNS客户端的”共享库”(现在已经成为 glibc 标准库的一部分)，去本地的 hosts 文件获取到希望获取的解析结果。

后来，由 ftp 共享文件的方式，发展到 DNS(这时还是一个中心服务器)，使用了高可用集群避免其中一台当机使整个服务中断。这时本地应用有名称解析的需求时，会通过调用DNS共享库，除了向本地hosts查询以外，也向中心服务器开放监听端口发起请求，服务器启动一个进程响应请求，进行查询后，返回结果给本地应用。这两种方式，都保留了下来，而且会优先查询本地的 hosts 文件。

我们需要 DNS 快速相应请求，默认使用 UDP 协议(不需要3次握手建立连接)。

域名解析查找结果被缓存，以减轻服务器压力

我们客户端每一次都用主机名发起请求，是不是每一次都需要向 DNS 服务器请求进行名称解析呢，不是的，因为IP地址并不经常变动的。所以本地DNS客户端可以将解析结果存储在本地，建立缓存(内存中的存储空间)。意味着，只有第一次查询时，才需要去DNS服务器取得解析数据。我们后面发起请求，会首先检查缓存中是否有结果，没有，才会去向DNS服务器请求。所以缓存在这里，既可以加速我们的访问，又能减轻DNS服务器的压力。假设我们的缓存有效期是1小时，在1小时发起的请求是20个，那么在一小时内，向DNS服务器请求的次数就减少到1次，也即是20倍，所以压力减轻的效果是尤其明显的。

随着互联网的发展，即使有本地缓存等技术减轻DNS服务器的压力，但是渐渐地一台中心服务器已经难以应付这个工作，这是DNS服务器就进入了下一个阶段：将名称实现分布式应用。

域名解析进入分布式阶段

将名称实现分布式应用:

将整个互联网的主机名，划分成多个不同的部分
整个名称空间，被划分多个自治的完整的小空间。如同国家的行政划分，中央 —-> 省 —-> 市

DNS也采用了这种机制：授权管理机制。

最上层的区域：根域 - Root Domain
根域下面是“一级域”：Top-Level Domain
再下一层是扁平化管理的：二级域，公司，组织或个人可直接申请
最后一层，可以直达主机了

“根域” 和 “一级域” 是由“IANA”直接管理。
二级域，公司，组织或个人可直接申请。二级域申请好之后，在这个域内就可以建立主机了。

组织和公司里通常“约定俗成”地使用 “www” 为主机名。

整个名称，是自底向上，逐级追溯的模式。

DNS 是一个树状的结构：

Snip20160730_8.png

在“根域”这里，只关心“一级域名”的情况，记录了如 com、net、org 这几个域名分区的负责人的信息。

这里有两种查找模型：

1，层级递归查询

A -> B -> C -> D

A 问 B，B不知道，但 B 知道 C 知道，于是B问C，C也不知道，但C知道D知道。
逐级查询，逐级返回。

2，迭代查询

A -> B
A -> C
A -> D

A 问 B，B不知道，但 B 知道 C 知道，于是A去问C，C也不知道，但C知道D知
道，于是A去问D。

真正的DNS查询使用的哪种模式? 互联网上的绝大多数查找模型都是迭代的。但 DNS 是递归+迭代的，是先递归，后迭代的。

真正域名查询的过程

真正域名查询的过程是: 先递归，后迭代。

比如当客户端查询 www.qq.com 的时候，不是直接去找根的，你想一下配置网络地址时，你的DNS服务器填写的是什么，一般是本地的一个服务器，可能是公司内部的一个服务器，如果公司没有，你的宽带运营商一定会提供一个DNS服务器地址。

在DNS的模型中，上级知道下级，但下级不知道自己的上级是谁，虽然知道自己在哪个域名内，但那个域名的管理者(服务器)是谁，其实是不知道的。

当我们请求域名解析时，把请求发送到本地的某个DNS服务器，如果是请求解析 “www.qq.com”，当DNS服务器要查询一个非本地管理的域名时，会去找“根”。每一个DNS服务器都预先设置了“根”的地址，大部分默认法则，它们仅知道”根”的IP地址，并不知道其他一级域名管理者的地址。

“根” 返回说查询的主机名归 com 管理，返回 com 的管理者地址，本地的DNS服务就去 com 的服务器进行查询。com 返回说归 qq.com 的二级域名管理者管理，于是本地DNS又去查询 qq.com 这个域名的管理者的域名服务器，最终得到 www.qq.com 的IP地址，返回给客户端。

客户端到本地 DNS 这一步，是“递归查询”的方式，要求 DNS 服务器必须返回结果，只发出一次请求。DNS 服务器进行查询的方式，是“迭代查询”的方式，可能多次发起查询请求。

全球的根节点服务器是固定的，一共有13个，国内连根服务器的镜像都没有。

比较常见的顶级域：

组织域：.com , .org, .net, .mil, .edu, .gov
国家域：.cn, .us, .uk, .jp, .tw, .hk
反向域：.in-addr.arpa - 从IP地址解析成主机名称时使用

组织域、反向域，由IANA管理。
国家域，由各国统一的DNS服务商来管理。

DNS 涉及的概念详解

DNS 中的名称与对应主机的“主机名”不要求是一样的，注意它们不是同一个概念。

在 DNS 中：
一个“名称”可以对应多个IP(即有多个主机)
一个IP上也可以有多个“名称”

DNS正向解析，反向解析

1，FQDN —-> IP地址
2，IP地址 —-> FQDN

一开始，反向解析几乎不可能，后来利用特殊技术才能做到。

国内一般都没有配置“反向解析”，但是，邮件服务器必须配置反向解析，否则会认为你是垃圾邮件。

DNS 的 zone（区域解析库）

域：domain
区域：zone(解析库)

正向解析：FQDN —-> IP地址，依赖于解析库 - 一个解析库是一个 zone（区域）
反向解析：IP地址 —-> FQDN，依赖于反向解析库

域中包含一个或两个区域(zone)，或者说是解析库。

区域解析库详解（zone）

在解析库中，每一个行是一个解析条目，叫做“资源记录” - resource record（rr）。

资源记录有类型的概念，用于表示解析条目的属性，下面依次说明:

NS（Name Server）
本区域的“名称服务器”，负责本地域内主机的 DNS 解析，可能有多个。

SOA（Start of Authority）
起始授权记录：用来标记区域内的 DNS主服务器 是谁，主服务器一个区域内只能有一个。

MX（Mail eXchage）
邮件交换器

当我们发邮件时，比如：tom@163.com - 163.com 是域名，tom在域内的哪个服务器上呢？MX 是域内负责邮件接收的服务器。假设域内有多个 MX，那tom在哪个服务器上呢？实际上，tom用户在每一个 MX 服务器上都有记录，而这多个 MX 服务器，有优先级的区分（0-99），数字越小，优先级越高。

A
FQDN—->IP ：A，负责“正向名称解析”

PTR
IP地址 —-> FQDN：PTR，负责“反向名称解析”

AAAA
FQDN—->IPv6：AAAA，负责IPv6地址的“正向名称解析”

CNAME（Canonical Name）
正式名称：CNAME（Canonical Name），正式名称

A CNAME B: A 的正式名称是 B

总结一下，解析库中的条目的类型有：NS,SOA,MX,A,PTR,AAAA,CNAME 等

主DNS服务器/权威DNS服务器是怎么工作的

我们申请了一个域名之后，需要为这个域建立一台DNS服务器，来负责这个域内的所有主机名的解析。这个DNS服务器就是这个域的“权威DNS服务器”，除了这台DNS服务器，没有其他人知道该域内的主机的解析名。一个域内可以有备用的DNS服务器，但主服务器只能有一个。

DNS 服务器负责本地域内主机名的解析

假设我们注册了域名：magedu.com, 意味着我们要负责对该域名内的所有主机进行“名称解析”。要解析，就得有解析库，要找一台主机来负责存放解析库，并负责响应对于该域名内的主机名的“解析请求”。如果本地主机发起一个请求，假设本地的DNS服务器的主机名叫做 ns.magedu.com，客户端向 ns 主机请求 www.magedu.com 的解析地址，这个主机名的解析是不是就是由 ns 这台服务器负责呢？假如这个域内只有这一台 DNS 主机，很显然这个域内的所有主机，只有这台 ns 主机才能知道。

这台ns主机会负责，本地的所有“名称解析”请求，或来自网络的对于本域的查询请求。

这台ns主机的IP地址，需要注册到上级服务器。

这台DNS服务器，被称为“主DNS服务器”。

DNS 服务器如何处理非本地域名的解析

如果客户端向 ns 主机请求 www.ibm.com 的解析地址，如果 ns 本地没有缓存的话，就向根域询问，这个根的地址是预先存放在ns主机上的，然后按照上面讲述过的步骤，进行查询。全球有13个根节点，在向根查询的时候，是向谁查询的呢？根域 . 这个名称对应了 13 个IP地址，ns 主机默认是轮流去查询的。同理，.com 服务器也不止一个（为了实现冗余或备份的效果），根在返回 .com 的地址时，也会轮流返回其中一个，或者全部返回了，ns 也只是选择第一个地址。同理，ibm.com 域名服务器也可能不止一个，.com 或者轮流返回其中一个，或者全部返回，ns 主机也同样选择其中第一个地址。

DNS客户端进行域名解析的流程

客户端进行域名解析的流程：

先查hosts文件
若没有，查本地DNS缓存
若没有，再查DNS服务器：
- 先查DNS服务器的本地DNS缓存
- 若没有，再查DNS服务器的解析库
- 都没有，那DNS向根域发起请求，开始迭代查询

如果缓存的有效期为1天的话，能极大减轻DNS服务器的压力，所以对于DNS的架构，“缓存”是很重要的。

非权威应答

如果通过缓存返回名称解析的请求，由于缓存与实际的情况存在时间差，所以被称为：“非权威应答”

缓存DNS服务器

那本地的DNS服务可不可以只做一半的工作呢，比如不负责“本地域内主机名”的解析，只负接收本地客户端的“名称解析”请求，然后向根发起迭代查询，以及对查询结果进行缓存。答案是可以的。

这样做的好处是什么呢，好处在于这个缓存，一个域名进行一次查询之后，缓存在服务器上，本地的其他客户端请求同一个域名的解析时，可以通过缓存的结果进行响应，这就可以加快本地客户端的名称解析速度，减轻网络带宽的压力。这种服务器，被称为“缓存DNS服务器”。

DNS 转发器

还有一种DNS服务器，只负责转发DNS请求，转发给另一台DNS主机做查询，本地不做缓存，称为“转发器”。

辅助(从)DNS服务器

主从服务器间的区域传送

辅助DNS服务器的用处，是冗余和备用。备用的可以有多个，它有和主服务器同样的“解析库”，它会去同步主服务器上的解析库，这个同步过程(传送zone文件)，被称为“区域传送” - zone transfer，它是单向的，所有的修改，只能在 DNS 主服务器上进行。

从服务器有多个的时候，一个从服务器可从另一个从服务器获取“区域文件”。这是多级从服务器。

完全区域传送

第一次传送区域文件，通常是传送完整的区域文件，这叫做“完全区域传送” - axfr

增量区域传送

后续传送区域文件，通常是传送增量的区域文件，这叫做“增量区域传送” - ixfr

区域文件，一方面是定期由从服务器去向主服务器询问和拉取。一方面当主服务器发生更新，会向从服务器发送更新通知，让从服务器来拉取。

而且传送区域文件，为了保证文件的完整性，使用的是 TCP 协议进行传输。前面我们知道 DNS 工作在 TCP 和 UDP 协议下，UDP 是负责监听查询请求的。

如果主服务器出现问题，不响应从服务的询问，经过一段时间的尝试，发现仍然没有响应，从服务器就不再对DNS请求做应答，放弃解析。从服务器不会取而代之，而是在必要时提供冗余的能力。

区域解析库中的资源记录类型

在区域解析库中，资源记录的格式如下：

Name [ttl]  IN  RRType  VALUE

分别为：名称,有效缓存时间,固定字段,资源记录类型,值

在解析库中，如果定义了变量 $TTL, 那么在每一条资源记录中，可以不写 ttl。如果想定义不同的ttl，仍然可以写出来，它会覆盖 $TTL 的值。

任何解析库文件的第一条记录必须是SOA，SOA是用于标记域内的主服务器是谁。

SOA: Start of Authority

name: 当前区域名称,通常可以简写为 "@"；
ttl: 略
RRTtype: SOA
VALUE: 主 DNS 服务器的名称（FQDN），也可以是当前区域的区域名称；这里为 ns.magedu.com；

例如：

@ IN SOA ns.magedu.com. admin.magedu.com. (
    serial number   ; 解析库的版本号，例如：2014080401(分号是注释)
    refresh time    ; 周期性同步的时间间隔(从服务器的同步时间)
    retry time      ; 重试的时间间隔(主不响应时，从服务器的重试时间间隔)
    expire time     ; 过期时长(从服务器的过期时间)
    nagtive answer ttl  ; 查无此人时，会给出否定答案，这是否定答案的缓存时长
    )

注意在解析库文件内，域名最后的’.’不能省略。
admin.magedu.com.是 DNS 服务器管理员的邮箱地址，因为 @ 字符在 DNS 配置文件中有特殊意义，不能直接在邮箱地址中使用，所以这里用’.’取代。

NS: name server

例如:

@ IN NS ns.magedu.com.

注意：

如果有多台NS服务器，每一台都必须有对应的 NS 记录，否则不会被识别为 DNS 服务器。
对于“正向解析文件”来讲，每一个 NS 的 FQDN 都应该有一个A记录

MX: Mail eXchanger

例如：

@ IN MX 10 mail.magedu.com.
@ IN MX 20 mail2.magedu.com.

注意：

如果有多台 MX 服务器，每一台都必须有对应的MX记录，但各个MX记录还有优先级属性。
但是注意，如果第一个MX服务器还能响应，就不会找第二个。
对于“正向解析文件”来讲，每一个 MX 的 FQDN 都应该有一个A记录。

A: Adress

A 记录

例如：

www.magedu.com. IN A 10.0.0.2
www.magedu.com. IN A 172.0.0.3

pop3.magedu.com. IN A 10.0.0.10
imap.magedu.com. IN A 10.0.0.10

同一个名字可以有多个地址，可以实现类似于负载均衡的效果。

同一个IP可能对应多个名称，比如一台服务器同时提供多种服务的情况。

AAAA: IPv6

其他同上

CNAME: 正式名称是什么

一个 FQDN 的正式名称是另一个 FQDN。

例如，一个IP地址对应多个名称，还可以这样写:

www.magedu.com. IN A 10.1.1.5
web.magedu.com. IN CNAME www.magedu.com.

这里表示：web.magedu.com. 的正式名称是 www.magedu.com.

这里为什么不直接写IP地址呢，假设一个主机有十个别名，如果主机的 IP 地址改变了，只需要改一次就行了，就好像BASH里变量的作用。

有别名这种机制，在 CDN 上做 C 类应用时，提供一个公共 CDN 时，通常都是通过别名的方式指定的：比如访问的是 www.magedu.com. ，背后却指向一个CDN的名字。

PTR: pointer 反向解析

例如 172.16.100.9/16，网络地址是 172.16，主机地址是 100.7，那么，这里的 name 就是 “7.100.in-addr.arpa.”，注意最后有’.’。

value: FQDN

例如：

7.100.in-addr.arpa. IN PTR www.magedu.com.