DNS 解析的原理

摘要： 提起 DNS，大家都知道是將域名對映成 IP 的一種協議。但是我花了很長時間才真正理解這個“對映”的過程。網上有很多介紹 DNS 的資料，但是遺漏了很多細節，比如都跨過了哪一些快取，誰去真正發出查詢的 packet。我們電腦要配置 DNS 伺服器，如果你有網站的話，你會發現你的網站也有一個配置...

提起 DNS，大家都知道是將域名對映成 IP 的一種協議。但是我花了很長時間才真正理解這個“對映”的過程。網上有很多介紹 DNS 的資料，但是遺漏了很多細節，比如都跨過了哪一些快取，誰去真正發出查詢的 packet。我們電腦要配置 DNS 伺服器，如果你有網站的話，你會發現你的網站也有一個配置項叫 DNS 解析伺服器，這兩種伺服器是一樣的嗎？還有一些圖和資料是錯誤的，比如有些圖畫的是根域名伺服器指向權威域名伺服器，給人造成一種錯覺是根伺服器去查詢了權威伺服器。

本文試圖用簡單並且準確的圖片和文字解釋 DNS 查詢的過程，以及一些我曾經有的困惑。如果有何 RFC 衝突的地方那肯定是我錯了，請指正。

首先介紹一個 DNS，說白了它就是一個名字到 IP 的對映，因為像 64.202.189.170 這樣的 IP 太難記了，所以就有了 DNS 這樣的東西，好比是一個電話本，我們打電話（訪問網頁）的時候，就查一下這個名字（網路地址）對應什麼樣的 IP，然後撥出去。

如果你有很多聯絡人的話，查號碼的時候肯定不會一個一個看，一般會在手機上下拉到這個字母姓氏的地方，然後再定位到這個人的名字。DNS 也是一樣，全球已經有上千萬個域名了，並且還在實時的變動和更新，所以DNS就採取了一種“分層”的查詢。要查詢 www.kawabangga.com 這個域名對應的 IP，實際上查詢的是 www.kawabangga.com. 最後這個 . 就是 root nameserver，平時我們都省略了，其實這個才是一切開始的地方。

Recursive resolver（下面會講到這是啥）只知道 . 的地址（一共13個IP），這就夠了。當它查詢一個域名的時候，它就去 root nameserver 查詢，大體的步驟如下：

1. 向 .  root nameserver 發出查詢請求，root nameserver 說，“我也不知道 www.kawabangga.com. 這個域名的地址，但是我知道 .com nameserver 的地址。Root Name Server 是怎麼知道所有頂級域名的地址呢？因為它就是幹這個的，Root Name Server 維護了所有頂級域名對應的地址，這個檔案可以在 https://www.internic.net/domain/root.zone 這裡下載。現在是 2019 年3月，這個檔案是 2萬多行，一共2.15M 。
2. .com Name Server 這種域名是最頂層的域名，所以叫做頂級域名，Top Level Domain Name Server，TLD Name Server。因為……它在最頂層。.com 域名服務商也就叫做頂級域名服務商，其他有名的頂級域名還有 .org .gov .cn 等。TLD nameserver 這裡其實也不知道 www.kawabangga.com. 的 IP 地址，但是它知道 kawabangga.com. 的 nameserver 的地址。
3. kawabangga.com. 的 Name Server 也叫做 Authoritative Name Server，通常翻譯成“權威域名伺服器”，但是我更喜歡叫他“被授權的域名伺服器”，為什麼呢？因為……它是被 .com 域名伺服器授權的。上一步，TLDName Server 怎麼知道 kawabnagga.com. 的Name Server 在哪裡的呢？因為你註冊一個域名的時候，本質上是花錢購買 xxx.com. 這個權威域名伺服器的管理權益，你把錢給域名註冊商，域名註冊商告訴 .com. TLD Name Server 說，hey 以後把 xxx.com. 這個域名交給 xxx 域名伺服器來解析就好啦！於是你就獲得了這個域名的解析權利。kawabangga.com. 的 Authoritative Name Server 地址是 ns1.myhostadmin.net. 當 Recursive resolver 過來查詢 www.kawabangga.com. 的地址的時候，ns1.myhostadmin.net. 會告訴它對應的IP。到這裡，一次查詢就宣告結束了。

這三種 Name Server 的職責都很明確：Root Name Server 負責維護全球頂級域名的地址；TLD Name Server 負責維護每一個購買了域名的人提交的他們的 Name Server 地址；Authoritative Name Server 由域名的持有人自己想怎麼解析就怎麼解析。但是一般的機構和個人都不會自己假設域名伺服器，因為可能子域名的需求不多，比如本部落格，就3個子域名而已，所以會選擇使用一個公共的 DNS 解析服務，比如 DNSPod。域名註冊商現在一般也都提供域名解析服務，CDN 像 CloudFlare 也會有域名解析的服務。像大型網站自己假設解析伺服器，一般會使用 BIND 這個很流行的軟體。當然也有自己研發 DNS 解析服務的。

下面我們再解釋一下上面提到的 Recursive Resolver，有的地方叫 Resolving Name Server，意思就是解析 DNS 的 Server。以上的查詢工作都由它來完成。

為什麼呢？首先 DNS 設計的第一目的就是要快，這是非常基礎的設施，所以必須要非常快。但是再快，全世界這麼大的量也扛不住啊，併發高？加快取！DNS 是層層快取的。快取有一個經典的問題就是，貴的快取比較快。這裡的貴不一定是價格貴。你在瀏覽器訪問 www.kawabangga.com 的時候，至少經過了瀏覽器對 DNS 的快取、電腦對 DNS 的快取，路由器對 DNS 的快取…… 瀏覽器的DNS快取肯定最快，但是無法跟其他應用共享，如果每個應用都快取的話，佔用的空間就太大了。路由器上面的快取可以給多臺電腦共享，一般又是在本地，所以理所應當的做了最多的快取。

如果在終端使用 dig 命令，會發現DNS的結果都是路由器給出的。

;; ANSWER SECTION:
kawabangga.com.         3600    IN      NS      ns1.myhostadmin.net.
kawabangga.com.         3600    IN      NS      ns2.myhostadmin.net.
kawabangga.com.         3600    IN      NS      ns3.myhostadmin.net.
kawabangga.com.         3600    IN      NS      ns4.myhostadmin.net.
kawabangga.com.         3600    IN      NS      ns5.myhostadmin.net.
kawabangga.com.         3600    IN      NS      ns6.myhostadmin.net.
 
;; Query time: 271 msec
;; SERVER: 192.168.1.1#53(192.168.1.1)
;; WHEN: Sun Mar 24 23:32:25 CST 2019
;; MSG SIZE  rcvd: 166

在這裡，路由器就是開放了53埠，來提供DNS查詢服務。它就是 Resolving Name Server，每次查詢請求發過來，它檢查自己的記憶體是否有答案，如果沒有，就執行上述的查詢過程。所以當我們執行 DNS 查詢的時候，抓包會發現發出了一個包到路由器53埠，收到了一個回到，查詢就結束了，還奇怪怎麼和書上寫的查詢過程不一樣呢？其實完整的查詢過程是在 Resolving Name Server 上面做的。

當然，一個  Resolving Name Server 並不複雜。如果我們在執行 dig 命令的時候，帶上 +trace 標誌，dig 就會作為 Resolving Name Server 的角色從 . 開始查詢直到查詢到最後的答案。

CloudFlare 提供了一個很有名的 DNS 服務， 1.1.1.1 ，這其實也是 Resolving Name Server，dig 命令可以使用 @1.1.1.1 的方式來指定。系統也可以設定 DNS 解析地址（現在你明白這個設定是什麼意思了吧）。基本上需要網路的裝置都可以設定這個DNS服務地址，比如 PS4，電視盒子。很多玩家知道設定成韓國的DNS服務地址玩遊戲有時候會更快一些，原理就是這樣，DNS是一個基礎的服務，你離Resolving Name Server更近了，解析的也就更快了。Resolving Name Server 快取的命中率高，也就更快，否則的話Resolving Name Server執行起來查詢的過程也是耗費時間的。

參考資料

1. How the Domain Name System (DNS) Works
2. https://miek.nl/2013/november/10/why-13-dns-root-servers/
3. DNS explained