DNS 理解-重學電腦網路

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轉自：http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html

DNS 是互連網核心協議之一。不管是上網瀏覽，還是編程開發，都需要瞭解一點它的知識。

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

一、DNS 是什嗎？

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

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

如果你不清楚為什麼一定要查出IP地址，才能進行網路通訊，建議先閱讀我寫的《互連網協議入門》。

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。

工具軟體dig可以顯示整個查詢過程。

$ dig math.stackexchange.com

上面的命令會輸出六段資訊。

第一段是查詢參數和統計。

第二段是查詢內容。

上面結果表示，查詢網域名稱math.stackexchange.com的A記錄，A是address的縮寫。

第三段是DNS伺服器的回覆。

上面結果顯示，math.stackexchange.com有四個A記錄，即四個IP地址。600是TTL值（Time to live 的縮寫），表示緩衝時間，即600秒之內不用重新查詢。

第四段顯示stackexchange.com的NS記錄（Name Server的縮寫），即哪些伺服器負責管理stackexchange.com的DNS記錄。

上面結果顯示stackexchange.com共有四條NS記錄，即四個網域名稱伺服器，向其中任一台查詢就能知道math.stackexchange.com的IP地址是什麼。

第五段是上面四個網域名稱伺服器的IP地址，這是隨著前一段一起返回的。

第六段是DNS伺服器的一些傳輸資訊。

上面結果顯示，原生DNS伺服器是192.168.1.253，查詢連接埠是53（DNS伺服器的預設連接埠），以及回應長度是305位元組。

如果不想看到這麼多內容，可以使用+short參數。

$ dig +short math.stackexchange.com151.101.129.69151.101.65.69151.101.193.69151.101.1.69

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

三、DNS伺服器

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

首先，本機一定要知道DNS伺服器的IP地址，否則上不了網。通過DNS伺服器，才能知道某個網域名稱的IP地址到底是什麼。

DNS伺服器的IP地址，有可能是動態，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系統裡面，DNS伺服器的IP地址儲存在/etc/resolv.conf檔案。

上例的DNS伺服器是192.168.1.253，這是一個內網地址。有一些公網的DNS伺服器，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伺服器查詢，dig命令有一個@參數，顯示向其他DNS伺服器查詢的結果。

$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com

上面命令指定向DNS伺服器4.2.2.2查詢。

四、網域名稱的層級

DNS伺服器怎麼會知道每個網域名稱的IP地址呢？答案是分級查詢。

請仔細看前面的例子，每個網域名稱的尾部都多了一個點。

比如，網域名稱math.stackexchange.com顯示為math.stackexchange.com.。這不是疏忽，而是所有網域名稱的尾部，實際上都有一個根網域名稱。

舉例來說，www.example.com真正的網域名稱是www.example.com.root，簡寫為www.example.com.。因為，根網域名稱.root對於所有網域名稱都是一樣的，所以平時是省略的。

根網域名稱的下一級，叫做"頂級網域名稱"（top-level domain，縮寫為TLD），比如.com、.net；再下一級叫做"次級網域名稱"（second-level domain，縮寫為SLD），比如www.example.com裡面的.example，這頂層網域是使用者可以註冊的；再下一級是主機名稱（host），比如www.example.com裡面的www，又稱為"第三層網域名"，這是使用者在自己的域裡面為伺服器分配的名稱，是使用者可以任意分配的。

總結一下，網域名稱的層級結構如下。

主機名稱.次級網域名稱.頂級網域名稱.根網域名稱# 即host.sld.tld.root

五、根網域名稱伺服器

DNS伺服器根據網域名稱的層級，進行分級查詢。

需要明確的是，每頂層網域都有自己的NS記錄，NS記錄指向該級網域名稱的網域名稱伺服器。這些伺服器知道下頂層網域的各種記錄。

所謂"分級查詢"，就是從根網域名稱開始，依次查詢每頂層網域的NS記錄，直到查到最終的IP地址，過程大致如下。

1. 從"根網域名稱伺服器"查到"頂級網域名稱伺服器"的NS記錄和A記錄（IP地址）
2. 從"頂級網域名稱伺服器"查到"次級網域名稱伺服器"的NS記錄和A記錄（IP地址）
3. 從"次級網域名稱伺服器"查出"主機名稱"的IP地址

仔細看上面的過程，你可能發現了，沒有提到DNS伺服器怎麼知道"根網域名稱伺服器"的IP地址。回答是"根網域名稱伺服器"的NS記錄和IP地址一般是不會變化的，所以內建在DNS伺服器裡面。

下面是內建的根網域名稱伺服器IP地址的一個例子。

上面列表中，列出了根網域名稱（.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小時才查詢一次根網域名稱伺服器的列表。

目前，世界上一共有十三組根網域名稱伺服器，從A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。

六、分級查詢的執行個體

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網域名稱.的所有NS記錄，即所有根網域名稱伺服器。

根據內建的根網域名稱伺服器IP地址，DNS伺服器向所有這些IP地址發出查詢請求，詢問math.stackexchange.com的頂級網域名稱伺服器com.的NS記錄。最先回複的根網域名稱伺服器將被緩衝，以後只向這台伺服器發請求。

接著是第二段。

上面結果顯示.com網域名稱的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伺服器向這些頂級網域名稱伺服器發出查詢請求，詢問math.stackexchange.com的次級網域名稱stackexchange.com的NS記錄。

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伺服器向上面這四台NS伺服器查詢math.stackexchange.com的主機名稱。

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伺服器是ns-463.awsdns-57.com，IP地址為205.251.193.207。

七、NS 記錄的查詢

dig命令可以單獨查看每頂層網域的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

網域名稱與IP之間的對應關係，稱為"記錄"（record）。根據使用情境，"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。

（1） A：地址記錄（Address），返回網域名稱指向的IP地址。

（2） NS：網域名稱伺服器記錄（Name Server），返回儲存下頂層網域資訊的伺服器位址。該記錄只能設定為網域名稱，不能設定為IP地址。

（3）MX：郵件記錄（Mail eXchange），返回接收電子郵件的伺服器位址。

（4）CNAME：正式名稱記錄（Canonical Name），返回另一個網域名稱，即當前查詢的網域名稱是另一個網域名稱的跳轉，詳見下文。

（5）PTR：逆向查詢記錄（Pointer Record），只用於從IP地址查詢網域名稱，詳見下文。

一般來說，為了服務的安全可靠，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記錄主要用於網域名稱的內部跳轉，為伺服器配置提供靈活性，使用者感知不到。舉例來說，facebook.github.io這個網域名稱就是一個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，使用者查詢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，變更伺服器IP地址的時候，只要修改github.map.fastly.net這個網域名稱就可以了，使用者的facebook.github.io網域名稱不用修改。

由於CNAME記錄就是一個替換，所以網域名稱一旦設定CNAME記錄以後，就不能再設定其他記錄了（比如A記錄和MX記錄），這是為了防止產生衝突。舉例來說，foo.com指向bar.com，而兩個網域名稱各有自己的MX記錄，如果兩者不一致，就會產生問題。由於頂級網域名稱通常要設定MX記錄，所以一般不允許使用者對頂級網域名稱設定CNAME記錄。

PTR記錄用於從IP地址反查網域名稱。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這台伺服器的網域名稱是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網域名稱。

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，返回當前請求網域名稱的各種記錄。

$ host github.comgithub.com has address 192.30.252.121github.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.comfacebook.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地址查詢網域名稱，等同於dig -x <ip>。

$ host 192.30.252.153153.252.30.192.in-addr.arpa domain name pointer pages.github.com.

（2）nslookup 命令

nslookup命令用於互動式地查詢網域名稱記錄。

$ nslookup> facebook.github.ioServer:     192.168.1.253Address:    192.168.1.253#53Non-authoritative answer:facebook.github.io  canonical name = github.map.fastly.net.Name:   github.map.fastly.netAddress: 103.245.222.133> 

（3）whois 命令

whois命令用來查看網域名稱的註冊情況。

$ whois github.com

十、參考連結

• DNS: The Good Parts, by Pete Keen
• DNS 101, by Mark McDonnell

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