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计算机网络 | 应用层（4）--DNS：因特网的目录服务

news 来源：原创 2025/6/20 5:20:19

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4. DNS：因特网的目录服务

4.1 是什么？

4.2 DNS 提供的服务

4.3 DNS 工作机理概述

集中式设计的问题

分布式、层次数据库

DNS 查询

DNS 缓存（DNS caching）

DNS 记录和报文（DNS Records and Messages）

DNS 记录

DNS 报文

4. DNS：因特网的目录服务

4.1 是什么？

域名系统（Domain Name System, DNS）的核心功能是将主机名映射到对应的 IP 地址。它由两个关键部分构成：

分层的 DNS 服务器实现的分布式数据库：通过分层架构存储域名与 IP 地址等相关信息。
应用层的 DNS 协议：运行在 UDP 之上，发送和接收的报文均通过 53 号端口进行传输。

4.2 DNS 提供的服务

DNS 提供的服务被其他应用层协议广泛使用，主要包括：

主机名（域名）解析为 IP 地址：实现域名到 IP 地址的转换，是 DNS 最基础的功能。
主机别名（host aliasing）：为同一主机提供多个不同的名称，方便用户记忆和使用。
邮件服务器别名（mail server aliasing）：用于标识邮件服务器的别名，方便邮件系统的使用。
负载分配（load distribution）：对于像taobao.com这样的繁忙站点，通常拥有多台服务器且各自有不同的 IP 地址。在 DNS 服务器中，一个 IP 地址集合与同一个规范主机名关联，每次响应时循环返回这些 IP 地址，从而实现流量的负载均衡，避免单台服务器负载过高。

4.3 DNS 工作机理概述

集中式设计的问题

若采用集中式设计，DNS 会面临以下问题：

单点故障（a single point of failure）：一旦中心服务器出现故障，整个域名解析服务将瘫痪。
通信容量（traffic volume）：大量的域名解析请求集中到一台服务器，容易造成网络拥塞和服务器负载过高。
远距离的集中式数据库（distant centralized database）：数据存储在单一位置，对于距离较远的用户，访问效率低。
维护（maintenance）：数据更新、服务器维护等操作复杂，成本高。

分布式、层次数据库

DNS 采用分布式、层次化的架构，主要包含以下几类 DNS 服务器（不包括本地 DNS 服务器）：

根 DNS 服务器（Root DNS Servers）：负责提供顶级域（TLD）服务器的 IP 地址，是域名解析的起点。
顶级域 DNS 服务器（top-level domain, TLD）：对应各个顶级域（如.com、.org、.net、.edu等）以及国家级顶级域（如.uk、.fr、.jp等），存储该顶级域下的域名解析信息。
权威 DNS 服务器（authoritative DNS servers）：保存特定主域名及其子域名的主机 IP 地址信息。例如，qq.com的权威服务器掌握着mail.qq.com、lol.qq.com、music.qq.com等主机的 IP 地址。组织机构既可以自行搭建权威服务器来管理记录，也可以将记录托管在服务提供商的权威服务器上。

此外，还有本地 DNS 服务器（local DNS server） ，每个 ISP（互联网服务提供商）通常配备一台或多台。当主机发起 DNS 请求时，首先会将请求发送到本地 DNS 服务器，它作为代理，将请求进一步转发到 DNS 服务器层次结构中进行处理。

DNS 查询

迭代查询（iterative queries）：以主机cse.nyu.edu查询gaia.cs.umass.edu的 IP 地址为例（具体过程可结合相关图示理解）。
递归查询（recursive query） ：
- 通常主机向本地域名服务器的查询采用递归查询方式。
- 本地域名服务器向其他域名服务器查询时，一般采用迭代查询（也可采用递归查询）。

域名解析过程
主机向本地域名服务器的查询都采用递归查询
本地域名服务器向其他域名服务器采用迭代(通常)或递归查询

DNS 缓存（DNS caching）

本地 DNS 服务器会缓存之前查询过的 DNS 记录。当再次收到相同的查询请求时，若缓存中存在有效的记录，可直接返回结果，减少查询时间和网络负载。

DNS 记录和报文（DNS Records and Messages）

DNS 记录

DNS 服务器存储的 ** 资源记录（Resource Record, RR）** 用于实现主机名到 IP 地址的映射，每个 DNS 回答报文包含一条或多条资源记录，记录格式为(Name, Value, Type, TTL)：

TLL：记录的生存时间，决定该资源记录在缓存中保留的时长，超时后将被删除。
Type：记录类型，决定Name和Value的含义：
- Type = A：Name为主机名，Value是对应的 IP 地址，例如(relay.example.com, 145.37.93.126, A, xxx)。
- Type = NS：Name是主域名（如qq.com），Value是该域的权威 DNS 服务器的主机名，例如(foo.com, dns.foo.com, NS, xxx)。
- Type = CNAME：Name是别名，Value是对应的规范主机名，例如(foo.com, relay1.bar.foo.com, CNAME, xxx)。
- Type = MX：Name是指向邮件服务器的别名，Value是对应的规范主机名，例如(foo.com, mail.bar.foo.com, MX, xxx)。

DNS 报文

首部区域（前 12 个字节）：
- 标识符：用于标识查询请求，会复制到对应的回答报文中，便于匹配请求和响应（由于 UDP 无连接特性，该标识尤为重要）。
- 标志：包含多个标志位：
  - “查询 / 回答” 标志位（1bit）：0 表示查询报文，1 表示回答报文。
  - “权威” 标志位（1bit）：当 DNS 服务器是所请求域名的权威服务器时置 1。
  - “希望递归” 标志位（1bit）：若客户希望在 DNS 服务器无记录时执行递归查询，则置 1。
  - “递归可用” 标志位（1bit）：若 DNS 服务器支持递归查询，在回答报文中该位置 1。
- 问题数、回答 RR 数、权威 RR 数、附加 RR 数：分别表示首部后对应 4 类数据区域中的变量数量。
问题区域：包含正在进行的查询信息，如被查询的主机名（名字字段）和查询问题类型（类型字段，如A、MX）。
回答区域：包含针对最初请求域名的资源记录，可有多条 RR。
权威区域：包含其他权威服务器的相关记录。
附加区域：包含额外的辅助信息。例如，在一个 MX 请求的回答报文中，回答区域包含提供邮件服务器规范主机名的资源记录，附加区域则包含该规范主机名对应的 IP 地址的 A 类型 RR。

4. DNS：因特网的目录服务

4.1 是什么？

4.2 DNS 提供的服务

4.3 DNS 工作机理概述

集中式设计的问题

分布式、层次数据库

DNS 查询

DNS 缓存（DNS caching）

DNS 记录和报文（DNS Records and Messages）

DNS 记录

DNS 报文

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