DNS 是網際網路核心協議之一。不管是上網瀏覽，還是程式設計開發，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，首先要透過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《網際網路協議入門》。
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。
第一段是查詢引數和統計。
第二段是查詢內容。
上面結果表示，查詢域名math.stackexchange.com的A記錄，A是address的縮寫。
第三段是DNS伺服器的答覆。
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），表示快取時間，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，即四個域名伺服器，向其中任一臺查詢就能知道math.stackexchange.com的IP地址是什麼。
第五段是上面四個域名伺服器的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，本機的DNS伺服器是192.168.1.253，查詢埠是53（DNS伺服器的預設埠），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引數。
$ 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，本機到底怎麼得到域名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。透過DNS伺服器，才能知道某個域名的IP地址到底是什麼。
DNS伺服器的IP地址，有可能是動態的，每次上網時由閘道器分配，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@引數，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、域名的層級
DNS伺服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。
比如，域名math.stackexchange.com顯示為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，簡寫為www.example.com.。因為，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，縮寫為TLD），比如.com、.net；再下一級叫做"次級域名"（second-level domain，縮寫為SLD），比如www.example.com裡面的.example，這一級域名是使用者可以註冊的；再下一級是主機名（host），比如www.example.com裡面的www，又稱為"三級域名"，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，域名的層級結構如下。
主機名.次級域名.頂級域名.根域名 # 即 host.sld.tld.root
五、根域名伺服器
DNS伺服器根據域名的層級，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伺服器。這些伺服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。
- 從"根域名伺服器"查到"頂級域名伺服器"的NS記錄和A記錄（IP地址）
- 從"頂級域名伺服器"查到"次級域名伺服器"的NS記錄和A記錄（IP地址）
- 從"次級域名伺服器"查出"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伺服器怎麼知道"根域名伺服器"的IP地址。回答是"根域名伺服器"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。
下面是內建的根域名伺服器IP地址的一個例子。
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伺服器的列表。
目前，世界上一共有十三組根域名伺服器，從A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。
六、分級查詢的例項
dig命令的+trace引數可以顯示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，即所有根域名伺服器。
根據內建的根域名伺服器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的頂級域名伺服器com.的NS記錄。最先回復的根域名伺服器將被快取，以後只向這臺伺服器發請求。
接著是第二段。
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伺服器向這些頂級域名伺服器發出查詢請求，詢問math.stackexchange.com的次級域名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伺服器向上面這四臺NS伺服器查詢math.stackexchange.com的主機名。
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命令可以單獨檢視每一級域名的NS記錄。
$ dig ns com $ dig ns stackexchange.com
+short引數可以顯示簡化的結果。
$ dig +short ns com $ dig +short ns stackexchange.com
八、DNS的記錄型別
域名與IP之間的對應關係，稱為"記錄"（record）。根據使用場景，"記錄"可以分成不同的型別（type），前面已經看到了有A記錄和NS記錄。
常見的DNS記錄型別如下。
（1）
A：地址記錄（Address），返回域名指向的IP地址。（2）
NS：域名伺服器記錄（Name Server），返回儲存下一級域名資訊的伺服器地址。該記錄只能設定為域名，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地址。（4）
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。（5）
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，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記錄主要用於域名的內部跳轉，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，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這個域名就可以了，使用者的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定MX記錄，所以一般不允許使用者對頂級域名設定CNAME記錄。
PTR記錄用於從IP地址反查域名。dig命令的-x引數用於查詢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這臺伺服器的域名是pages.github.com。
逆向查詢的一個應用，是可以防止垃圾郵件，即驗證傳送郵件的IP地址，是否真的有它所聲稱的域名。
dig命令可以檢視指定的記錄型別。
$ 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 <ip>。
$ 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命令用來檢視域名的註冊情況。
$ whois github.com
十、參考連結
- DNS: The Good Parts, by Pete Keen
- DNS 101, by Mark McDonnell
（完）