DNS 原理入门

阮一峰洋芋编程

概述

DNS 是互联网核心协议之一。不管是上网浏览，还是编程开发，都需要了解一点它的知识。

本文详细介绍 DNS 的原理，以及如何运用工具软件观察它的运作。我的目标是，读完此文后，你就能完全理解 DNS。

一、DNS 是什么？

DNS（Domain Name System 的缩写）的作用非常简单，就是根据域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的电话本。

举例来说，如果你要访问域名 math.stackexchange.com，首先要通过 DNS 查出它的IP地址是 151.101.129.69。

如果你不清楚为什么一定要查出IP地址，才能进行网络通信，建议先阅读我写的《互联网协议入门》^[1]。

二、查询过程

虽然只需要返回一个IP地址，但是 DNS 的查询过程非常复杂，分成多个步骤。

工具软件 dig 可以显示整个查询过程。

$ dig math.stackexchange.com

上面的命令会输出 6 段信息。

# 第 1 段是查询参数和统计

; <<>> 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 段是查询内容
# 结果表示，查询域名 math.stackexchange.com 的 A 记录，A 是 address 的缩写

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

# 第 3 段是 DNS 服务器的答复
# 结果显示，math.stackexchange.com 有四个 A 记录，即四个 IP 地址。
# 54 是 TTL 值（Time to live 的缩写），表示缓存时间，即 54 秒之内不用重新查询。

;; 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 段显示 stackexchange.com 的 NS 记录（Name Server 的缩写）
# 即哪些服务器负责管理 stackexchange.com 的 DNS 记录。
# 结果显示 stackexchange.com 共有四条 NS 记录，即四个域名服务器，向其中任一台查询就能知道 math.stackexchange.com 的 IP 地址是什么

;; 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 段是上面四个域名服务器的 IP 地址，这是随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 服务器的一些传输信息

;; 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

如果不想看到这么多内容，可以使用 +short 参数

$ dig +short math.stackexchange.com

# 输出如下
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 对应的 4 个 IP 地址（即A记录）。

三、DNS服务器

下面我们根据前面这个例子，一步步还原，本机到底怎么得到域名 math.stackexchange.com 的IP地址。

首先，本机一定要知道 DNS 服务器的IP地址，否则上不了网。通过DNS服务器，才能知道某个域名的IP地址到底是什么。

查看 DNS 服务器配置

DNS 服务器的IP地址，有可能是动态的，每次上网时由网关分配，这叫做 DHCP 机制；也有可能是事先指定的固定地址。 Linux系统里面，DNS 服务器的 IP 地址保存在 /etc/resolv.conf 文件。

上例的 DNS 服务器是 192.168.1.253，这是一个内网地址。有一些公网的DNS服务器，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。

本机只向自己的 DNS 服务器查询，dig 命令有一个@参数，显示向其他 DNS 服务器查询的结果。

$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com

上面命令指定向 DNS 服务器 4.2.2.2 查询。

四、域名的层级

DNS 服务器怎么会知道每个域名的 IP 地址呢？答案是分级查询。

请仔细看前面的例子，每个域名的尾部都多了一个点。

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

比如，域名 math.stackexchange.com 显示为 math.stackexchange.com.。这不是疏忽，而是所有域名的尾部，实际上都有一个根域名。

举例来说，www.example.com 真正的域名是 www.example.com.root ，简写为 www.example.com. 。因为，根域名.root 对于所有域名都是一样的，所以平时是省略的。

根域名的下一级，叫做 顶级域名（top-level domain，缩写为 TLD），比如 .com、.net；再下一级叫做 次级域名（second-level domain，缩写为 SLD），比如 www.example.com 里面的 .example，这一级域名是用户可以注册的；再下一级是 主机名（host），比如 www.example.com 里面的 www，又称为 三级域名，这是用户在自己的域里面为服务器分配的名称，是用户可以任意分配的。

总结一下，域名的层级结构如下。

主机名.次级域名.顶级域名.根域名

主机名.次级域名.顶级域名.根域名

# 即

host.sld.tld.root

五、根域名服务器

DNS 服务器根据域名的层级，进行分级查询。

需要明确的是，每一级域名都有自己的 NS 记录，NS 记录指向该级域名的域名服务器。这些服务器知道下一级域名的各种记录。

所谓 分级查询，就是从根域名开始，依次查询每一级域名的 NS 记录，直到查到最终的 IP 地址，过程大致如下。

1. 从 "根域名服务器" 查到 "顶级域名服务器"的 NS 记录和 A 记录（IP 地址）
2. 从 "顶级域名服务器" 查到 "次级域名服务器"的 NS 记录和 A 记录（IP 地址）
3. 从 "次级域名服务器" 查到 "主机名"的 IP 地址

仔细看上面的过程，你可能发现了，没有提到 DNS 服务器怎么知道 "根域名服务器" 的 IP 地址。回答是 "根域名服务器" 的 NS 记录和 IP 地址一般是不会变化的，所以内置在 DNS 服务器里面。

下面是内置的根域名服务器 IP 地址的一个例子 ^[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）的三条 NS 记录 A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET 和 C.ROOT-SERVERS.NET，以及它们的 IP 地址（即 A 记录）198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。

另外，可以看到所有记录的 TTL 值是 3600000 秒，相当于 1000 小时。也就是说，每 1000 小时才查询一次根域名服务器的列表。

目前，世界上一共有 13 组根域名服务器，从 A.ROOT-SERVERS.NET 一直到 M.ROOT-SERVERS.NET。

六、分级查询的实例

dig 命令的 +trace 参数可以显示 DNS 的整个分级查询过程。

$ dig +trace math.stackexchange.com

上面命令的第一段列出根域名.的所有 NS 记录，即所有根域名服务器。

; <<>> 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.

根据内置的根域名服务器 IP 地址，DNS 服务器向所有这些 IP 地址发出查询请求，询问 math.stackexchange.com 的顶级域名服务器 com.的 NS 记录。最先回复的根域名服务器将被缓存，以后只向这台服务器发请求。

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.

上面结果显示.com 域名的 13 条 NS 记录，同时返回的还有每一条记录对应的 IP 地址。

然后，DNS 服务器向这些顶级域名服务器发出查询请求，询问 math.stackexchange.com 的次级域名 stackexchange.com 的 NS 记录。

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.

上面结果显示 stackexchange.com 有四条 NS 记录，同时返回的还有每一条 NS 记录对应的 IP 地址。

然后，DNS 服务器向上面这四台 NS 服务器查询 math.stackexchange.com 的主机名。

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

上面结果显示，math.stackexchange.com 有 4 条 A 记录，即这四个 IP 地址都可以访问到网站。并且还显示，最先返回结果的 NS 服务器是 ns-cloud-d2.googledomains.com，IP 地址为 216.239.34.109。

七、NS 记录的查询

dig 命令可以单独查看每一级域名的 NS 记录。

$ dig ns com
$ dig ns stackexchange.com

+short 参数可以显示简化的结果

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

八、DNS 的记录类型

域名与 IP 之间的对应关系，称为 "记录"（record）。根据使用场景，"记录"可以分成不同的类型（type），前面已经看到了有 A 记录和 NS 记录。

常见的 DNS 记录类型如下。

• A：地址记录（Address），返回域名指向的 IP 地址。
• AAAA: 记录是域名到 IPV6 地址。
• NS：域名服务器记录（Name Server），返回保存下一级域名信息的服务器地址。该记录只能设置为域名，不能设置为 IP 地址。
• MX：邮件记录（Mail eXchange），返回接收电子邮件的服务器地址。
• CNAME：规范名称记录（Canonical Name），返回另一个域名，即当前查询的域名是另一个域名的跳转，详见下文。
• PTR：逆向查询记录（Pointer Record），只用于从 IP 地址查询域名，详见下文。

一般来说，为了服务的安全可靠，至少应该有两条 NS 记录，而 A 记录和 MX 记录也可以有多条，这样就提供了服务的冗余性，防止出现单点失败。

CNAME 记录主要用于域名的内部跳转，为服务器配置提供灵活性，用户感知不到。举例来说，facebook.github.io 这个域名就是一个 CNAME 记录。

$ 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

上面结果显示，facebook.github.io 的 CNAME 记录指向 github.map.fastly.net。也就是说，用户查询 facebook.github.io 的时候，实际上返回的是 github.map.fastly.net 的 IP 地址。这样的好处是，变更服务器 IP 地址的时候，只要修改 github.map.fastly.net 这个域名就可以了，用户的 facebook.github.io 域名不用修改。

由于 CNAME 记录就是一个替换，所以域名一旦设置 CNAME 记录以后，就不能再设置其他记录了（比如 A 记录和 MX 记录），这是为了防止产生冲突。举例来说，foo.com 指向 bar.com，而两个域名各有自己的 MX 记录，如果两者不一致，就会产生问题。由于顶级域名通常要设置 MX 记录，所以一般不允许用户对顶级域名设置 CNAME 记录。

PTR 记录用于从 IP 地址反查域名。dig 命令的 -x 参数用于查询 PTR 记录。

$ dig -x 192.30.252.153

...

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

上面结果显示，192.30.252.153 这台服务器的域名是 pages.github.com。

逆向查询的一个应用，是可以防止垃圾邮件，即验证发送邮件的 IP 地址，是否真的有它所声称的域名。

dig 命令可以查看指定的记录类型。

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

九、其他 DNS 工具

除了 dig，还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 命令的简化版本，返回当前请求域名的各种记录。

$ 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 命令也可以用于逆向查询，即从 IP 地址查询域名，等同于 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 命令用于互动式地查询域名记录。


$ 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 命令用来查看域名的注册情况。

$ whois github.com

十、参考链接

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

转载声明

本文转载自 DNS 原理入门^[5]，笔者在文字描述和图片排版上略作修改。

小结

下面是笔者补充的部分，简述下 DNS 的流程。

图片来源: https://aws.amazon.com/cn/route53/what-is-dns/

• 浏览器输入域名，如 www.example.com
• 查询当前硬件的缓存（host 文件 或浏览器缓存）中是否存在该域名对应的记录，如果存在直接使用，如果不存在则进入后续流程
• 向运营商的 DNS 服务器发起 DNS 解析的请求，一般称运营商的 DNS 服务器为 Local DNS
• Local DNS 会查询缓存记录 (内部实现对请求端来说是透明的)
• Local DNS 如果没有缓存，会把域名从右往左扫描，依次请求对应的服务器
• 对于域名 www.example.com，先去请求根域名服务器，假设根域名服务器返回了管理 .com 域的服务器，名字为 TLD
• Local DNS 请求管理 TLD 服务器
• 一般来说，TLD 返回的记录是一条 CNAME 记录，这里假设域名的 CNAME 解析到了 Amazon
• Local DNS 请求 Amazon 的 DNS 服务器 (一般称之为权威服务器，权威服务器是 Amazon 自己构建的)
• Amazon 返回 www.example.com 对应的服务器 IP 地址
• Local DNS 缓存这个 IP 地址，并且返回给浏览器
• 浏览器和返回的 IP 地址建立 TCP 连接，发送 HTTP 报文

如何自建 DNS 服务器

• 在自己的服务器上 (例如 10.0.0.1) 构建一个 DNS 服务 (可以理解为一个软件，支持 DNS 协议，就像 Nginx 支持 HTTP 协议)
• 在域名系统管理后台，新增一条 CNAME 记录，将域名的解析转交给 10.0.0.1
• 10.0.0.1 可以自定义返回各个域名对应的 IP 地址，实现自定义 DNS 服务器

扩展阅读

• 为什么 DNS 同时使用 TCP 和 UDP^[6]
^{• what-is-dns^[7]}

引用链接

[1] 《互联网协议入门》: 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 原理入门: http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html
[6] 为什么 DNS 同时使用 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/

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