最全面的 DNS 原理入門

阮一峰的網路日誌發表於2016-06-16
DNS

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《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。通過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。

  1. 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）
  2. 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）
  3. 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

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