DNS 原理入門

概述

DNS 是互聯網核心協議之一。不管是上網瀏覽，還是編程開發，都需要了解一點它的知識。

本文詳細介紹 DNS 的原理，以及如何運用工具軟件觀察它的運作。我的目標是，讀完此文後，你就能完全理解 DNS。

一、DNS 是什麼？

DNS（Domain Name System 的縮寫）的作用非常簡單，就是根據域名查出 IP 地址。你可以把它想象成一本巨大的電話本。

舉例來說，如果你要訪問域名 math.stackexchange.com，首先要通過 DNS 查出它的 IP 地址是 151.101.129.69。

如果你不清楚爲什麼一定要查出 IP 地址，才能進行網絡通信，建議先閱讀我寫的《互聯網協議入門》[1]。

二、查詢過程

雖然只需要返回一個 IP 地址，但是 DNS 的查詢過程非常複雜，分成多個步驟。

工具軟件 dig 可以顯示整個查詢過程。

$ dig math.stackexchange.com

上面的命令會輸出 6 段信息。

# 第 1 段是查詢參數和統計

; <<>> DiG 9.10.6 <<>> math.stackexchange.com
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 44088
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 4, AUTHORITY: 4, ADDITIONAL: 6

# 第 2 段是查詢內容
# 結果表示，查詢域名 math.stackexchange.com 的 A 記錄，A 是 address 的縮寫

;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 512
;; QUESTION SECTION:
;math.stackexchange.com.  IN A

# 第 3 段是 DNS 服務器的答覆
# 結果顯示，math.stackexchange.com 有四個 A 記錄，即四個 IP 地址。
# 54 是 TTL 值（Time to live 的縮寫），表示緩存時間，即 54 秒之內不用重新查詢。

;; ANSWER SECTION:
math.stackexchange.com. 54 IN A 151.101.65.69
math.stackexchange.com. 54 IN A 151.101.193.69
math.stackexchange.com. 54 IN A 151.101.129.69
math.stackexchange.com. 54 IN A 151.101.1.69

# 第 4 段顯示 stackexchange.com 的 NS 記錄（Name Server 的縮寫）
# 即哪些服務器負責管理 stackexchange.com 的 DNS 記錄。
# 結果顯示 stackexchange.com 共有四條 NS 記錄，即四個域名服務器，向其中任一臺查詢就能知道 math.stackexchange.com 的 IP 地址是什麼

;; AUTHORITY SECTION:
stackexchange.com. 1866 IN NS ns-925.awsdns-51.net.
stackexchange.com. 1866 IN NS ns-1832.awsdns-37.co.uk.
stackexchange.com. 1866 IN NS ns-cloud-d1.googledomains.com.
stackexchange.com. 1866 IN NS ns-cloud-d2.googledomains.com.

# 第 5 段是上面四個域名服務器的 IP 地址，這是隨着前一段一起返回的

;; ADDITIONAL SECTION:
ns-925.awsdns-51.net. 1626 IN A 205.251.195.157
ns-1832.awsdns-37.co.uk. 1592 IN A 205.251.199.40
ns-925.awsdns-51.net. 1626 IN AAAA 2600:9000:5303:9d00::1
ns-1832.awsdns-37.co.uk. 1593 IN AAAA 2600:9000:5307:2800::1
ns-cloud-d1.googledomains.com. 3204 IN AAAA 2001:4860:4802:32::6d

# 第 6 段是 DNS 服務器的一些傳輸信息

;; Query time: 26 msec
;; SERVER: 192.168.1.1#53(192.168.1.1)
;; WHEN: Fri Feb 17 22:31:26 CST 2023
;; MSG SIZE  rcvd: 368

如果不想看到這麼多內容，可以使用 +short 參數

$ dig +short math.stackexchange.com

# 輸出如下
151.101.1.69
151.101.129.69
151.101.193.69
151.101.65.69

上面命令只返回 math.stackexchange.com 對應的 4 個 IP 地址（即 A 記錄）。

三、DNS 服務器

下面我們根據前面這個例子，一步步還原，本機到底怎麼得到域名 math.stackexchange.com 的 IP 地址。

首先，本機一定要知道 DNS 服務器的 IP 地址，否則上不了網。通過 DNS 服務器，才能知道某個域名的 IP 地址到底是什麼。

查看 DNS 服務器配置

DNS 服務器的 IP 地址，有可能是動態的，每次上網時由網關分配，這叫做 DHCP 機制；也有可能是事先指定的固定地址。 Linux 系統裏面，DNS 服務器的 IP 地址保存在 /etc/resolv.conf 文件。

上例的 DNS 服務器是 192.168.1.253，這是一個內網地址。有一些公網的 DNS 服務器，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。

本機只向自己的 DNS 服務器查詢，dig 命令有一個 @參數，顯示向其他 DNS 服務器查詢的結果。

$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com

上面命令指定向 DNS 服務器 4.2.2.2 查詢。

四、域名的層級

DNS 服務器怎麼會知道每個域名的 IP 地址呢？答案是分級查詢。

請仔細看前面的例子，每個域名的尾部都多了一個點。

;; QUESTION SECTION:
;math.stackexchange.com.  IN A

比如，域名 math.stackexchange.com 顯示爲 math.stackexchange.com.。這不是疏忽，而是所有域名的尾部，實際上都有一個根域名。

舉例來說，www.example.com 真正的域名是 www.example.com.root ，簡寫爲 www.example.com. 。因爲，根域名. root 對於所有域名都是一樣的，所以平時是省略的。

根域名的下一級，叫做 頂級域名（top-level domain，縮寫爲 TLD），比如 .com、.net；再下一級叫做 次級域名（second-level domain，縮寫爲 SLD），比如 www.example.com 裏面的 .example，這一級域名是用戶可以註冊的；再下一級是 主機名（host），比如 www.example.com 裏面的 www，又稱爲 三級域名，這是用戶在自己的域裏面爲服務器分配的名稱，是用戶可以任意分配的。

總結一下，域名的層級結構如下。

主機名. 次級域名. 頂級域名. 根域名

主機名.次級域名.頂級域名.根域名

# 即

host.sld.tld.root

五、根域名服務器

DNS 服務器根據域名的層級，進行分級查詢。

需要明確的是，每一級域名都有自己的 NS 記錄，NS 記錄指向該級域名的域名服務器。這些服務器知道下一級域名的各種記錄。

所謂 分級查詢，就是從根域名開始，依次查詢每一級域名的 NS 記錄，直到查到最終的 IP 地址，過程大致如下。

1. 從 "根域名服務器" 查到 "頂級域名服務器" 的 NS 記錄和 A 記錄（IP 地址）

2. 從 "頂級域名服務器" 查到 "次級域名服務器" 的 NS 記錄和 A 記錄（IP 地址）

3. 從 "次級域名服務器" 查到 "主機名" 的 IP 地址

仔細看上面的過程，你可能發現了，沒有提到 DNS 服務器怎麼知道 "根域名服務器" 的 IP 地址。回答是 "根域名服務器" 的 NS 記錄和 IP 地址一般是不會變化的，所以內置在 DNS 服務器裏面。

下面是內置的根域名服務器 IP 地址的一個例子 [2]

; formerly NS.INTERNIC.NET
;
.                        3600000  IN  NS    A.ROOT-SERVERS.NET.
A.ROOT-SERVERS.NET.      3600000      A     198.41.0.4
A.ROOT-SERVERS.NET.      3600000      AAAA  2001:503:BA3E::2:30
;
; formerly NS1.ISI.EDU
;
.                        3600000      NS    B.ROOT-SERVERS.NET.
B.ROOT-SERVERS.NET.      3600000      A     192.228.79.201
;
; formerly C.PSI.NET
;
.                        3600000      NS    C.ROOT-SERVERS.NET.
C.ROOT-SERVERS.NET.      3600000      A     192.33.4.12

上面列表中，列出了根域名（.root）的三條 NS 記錄 A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET 和 C.ROOT-SERVERS.NET，以及它們的 IP 地址（即 A 記錄）198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。

另外，可以看到所有記錄的 TTL 值是 3600000 秒，相當於 1000 小時。也就是說，每 1000 小時才查詢一次根域名服務器的列表。

目前，世界上一共有 13 組根域名服務器，從 A.ROOT-SERVERS.NET 一直到 M.ROOT-SERVERS.NET。

六、分級查詢的實例

dig 命令的 +trace 參數可以顯示 DNS 的整個分級查詢過程。

$ dig +trace math.stackexchange.com

上面命令的第一段列出根域名. 的所有 NS 記錄，即所有根域名服務器。

; <<>> DiG 9.16.37-Debian <<>> +trace math.stackexchange.com
;; global options: +cmd
.                       259200  IN      NS      g.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      j.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      e.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      l.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      d.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      a.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      b.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      i.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      m.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      h.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      c.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      k.root-servers.net.
.                       259200  IN      NS      f.root-servers.net.

根據內置的根域名服務器 IP 地址，DNS 服務器向所有這些 IP 地址發出查詢請求，詢問 math.stackexchange.com 的頂級域名服務器 com. 的 NS 記錄。最先回復的根域名服務器將被緩存，以後只向這臺服務器發請求。

接着是第二段。

com.                    172800  IN      NS      a.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      b.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      c.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      d.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      e.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      f.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      g.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      h.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      i.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      j.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      k.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      l.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      m.gtld-servers.net.

上面結果顯示. com 域名的 13 條 NS 記錄，同時返回的還有每一條記錄對應的 IP 地址。

然後，DNS 服務器向這些頂級域名服務器發出查詢請求，詢問 math.stackexchange.com 的次級域名 stackexchange.com 的 NS 記錄。

stackexchange.com.      172800  IN      NS      ns-925.awsdns-51.net.
stackexchange.com.      172800  IN      NS      ns-1832.awsdns-37.co.uk.
stackexchange.com.      172800  IN      NS      ns-cloud-d1.googledomains.com.
stackexchange.com.      172800  IN      NS      ns-cloud-d2.googledomains.com.

上面結果顯示 stackexchange.com 有四條 NS 記錄，同時返回的還有每一條 NS 記錄對應的 IP 地址。

然後，DNS 服務器向上面這四臺 NS 服務器查詢 math.stackexchange.com 的主機名。

math.stackexchange.com. 300     IN      A       151.101.129.69
math.stackexchange.com. 300     IN      A       151.101.1.69
math.stackexchange.com. 300     IN      A       151.101.65.69
math.stackexchange.com. 300     IN      A       151.101.193.69
;; Received 115 bytes from 216.239.34.109#53(ns-cloud-d2.googledomains.com) in 35 ms

上面結果顯示，math.stackexchange.com 有 4 條 A 記錄，即這四個 IP 地址都可以訪問到網站。並且還顯示，最先返回結果的 NS 服務器是 ns-cloud-d2.googledomains.com，IP 地址爲 216.239.34.109。

七、NS 記錄的查詢

dig 命令可以單獨查看每一級域名的 NS 記錄。

$ dig ns com
$ dig ns stackexchange.com

+short 參數可以顯示簡化的結果

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

八、DNS 的記錄類型

域名與 IP 之間的對應關係，稱爲 "記錄"（record）。根據使用場景，"記錄" 可以分成不同的類型（type），前面已經看到了有 A 記錄和 NS 記錄。

常見的 DNS 記錄類型如下。

• A：地址記錄（Address），返回域名指向的 IP 地址。
• AAAA: 記錄是域名到 IPV6 地址。
• NS：域名服務器記錄（Name Server），返回保存下一級域名信息的服務器地址。該記錄只能設置爲域名，不能設置爲 IP 地址。
• MX：郵件記錄（Mail eXchange），返回接收電子郵件的服務器地址。
• CNAME：規範名稱記錄（Canonical Name），返回另一個域名，即當前查詢的域名是另一個域名的跳轉，詳見下文。
• PTR：逆向查詢記錄（Pointer Record），只用於從 IP 地址查詢域名，詳見下文。

一般來說，爲了服務的安全可靠，至少應該有兩條 NS 記錄，而 A 記錄和 MX 記錄也可以有多條，這樣就提供了服務的冗餘性，防止出現單點失敗。

CNAME 記錄主要用於域名的內部跳轉，爲服務器配置提供靈活性，用戶感知不到。舉例來說，facebook.github.io 這個域名就是一個 CNAME 記錄。

$ 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

上面結果顯示，facebook.github.io 的 CNAME 記錄指向 github.map.fastly.net。也就是說，用戶查詢 facebook.github.io 的時候，實際上返回的是 github.map.fastly.net 的 IP 地址。這樣的好處是，變更服務器 IP 地址的時候，只要修改 github.map.fastly.net 這個域名就可以了，用戶的 facebook.github.io 域名不用修改。

由於 CNAME 記錄就是一個替換，所以域名一旦設置 CNAME 記錄以後，就不能再設置其他記錄了（比如 A 記錄和 MX 記錄），這是爲了防止產生衝突。舉例來說，foo.com 指向 bar.com，而兩個域名各有自己的 MX 記錄，如果兩者不一致，就會產生問題。由於頂級域名通常要設置 MX 記錄，所以一般不允許用戶對頂級域名設置 CNAME 記錄。

PTR 記錄用於從 IP 地址反查域名。dig 命令的 -x 參數用於查詢 PTR 記錄。

$ dig -x 192.30.252.153

...

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

上面結果顯示，192.30.252.153 這臺服務器的域名是 pages.github.com。

逆向查詢的一個應用，是可以防止垃圾郵件，即驗證發送郵件的 IP 地址，是否真的有它所聲稱的域名。

dig 命令可以查看指定的記錄類型。

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

九、其他 DNS 工具

除了 dig，還有一些其他小工具也可以使用。

（1）host 命令

host 命令可以看作 dig 命令的簡化版本，返回當前請求域名的各種記錄。

$ 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 命令也可以用於逆向查詢，即從 IP 地址查詢域名，等同於 dig -x 。

host 192.30.252.153

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

（2）nslookup 命令

nslookup 命令用於互動式地查詢域名記錄。

$ 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

（3）whois 命令

whois 命令用來查看域名的註冊情況。

$ whois github.com

十、參考鏈接

• DNS: The Good Parts, by Pete Keen[3]
• DNS 101, by Mark McDonnell[4]

轉載聲明

本文轉載自 DNS 原理入門 [5]，筆者在文字描述和圖片排版上略作修改。

小結

下面是筆者補充的部分，簡述下 DNS 的流程。

圖片來源: https://aws.amazon.com/cn/route53/what-is-dns/

• 瀏覽器輸入域名，如 www.example.com
• 查詢當前硬件的緩存（host 文件 或瀏覽器緩存）中是否存在該域名對應的記錄，如果存在直接使用，如果不存在則進入後續流程
• 向運營商的 DNS 服務器發起 DNS 解析的請求，一般稱運營商的 DNS 服務器爲 Local DNS
• Local DNS 會查詢緩存記錄 (內部實現對請求端來說是透明的)
• Local DNS 如果沒有緩存，會把域名從右往左掃描，依次請求對應的服務器
• 對於域名 www.example.com，先去請求根域名服務器，假設根域名服務器返回了管理 .com 域的服務器，名字爲 TLD
• Local DNS 請求管理 TLD 服務器
• 一般來說，TLD 返回的記錄是一條 CNAME 記錄，這裏假設域名的 CNAME 解析到了 Amazon
• Local DNS 請求 Amazon 的 DNS 服務器 (一般稱之爲權威服務器，權威服務器是 Amazon 自己構建的)
• Amazon 返回 www.example.com 對應的服務器 IP 地址
• Local DNS 緩存這個 IP 地址，並且返回給瀏覽器
• 瀏覽器和返回的 IP 地址建立 TCP 連接，發送 HTTP 報文

如何自建 DNS 服務器

• 在自己的服務器上 (例如 10.0.0.1) 構建一個 DNS 服務 (可以理解爲一個軟件，支持 DNS 協議，就像 Nginx 支持 HTTP 協議)
• 在域名系統管理後臺，新增一條 CNAME 記錄，將域名的解析轉交給 10.0.0.1
• 10.0.0.1 可以自定義返回各個域名對應的 IP 地址，實現自定義 DNS 服務器

擴展閱讀

• 爲什麼 DNS 同時使用 TCP 和 UDP[6]
• what-is-dns[7]

引用鏈接

[1] 《互聯網協議入門》: https://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html
[2] 例子 : http://www.cyberciti.biz/faq/unix-linux-update-root-hints-data-file/
[3] DNS: The Good Parts, by Pete Keen: https://www.petekeen.net/dns-the-good-parts
[4] DNS 101, by Mark McDonnell: http://www.integralist.co.uk/posts/dnsbasics.html
[5] DNS 原理入門: http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html
[6] 爲什麼 DNS 同時使用 TCP 和 UDP: https://scoolor.github.io/2018/11/10/dns-udp-tcp/

[7] what-is-dns: https://www.cloudflare.com/zh-cn/learning/dns/what-is-dns/

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/b2KFiwhpacT-gvZEd0GoOQ

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