简单谈谈DNS协议

DNS协议也可以称为DNS服务，全称是Domain Name System，即域名系统，和HTTP协议一样，也是一个位于应用层的协议（服务），它是基于运输层的UDP协议的，关于网络协议的分层介绍，见这里（还没有写好，先放这里一个空链接）。
从DNS的名字我们就可以知道，它提供域名映射到IP地址的服务，那么在我们详细说DNS协议之前，先来大致讲讲互联网的域名结构。

1. 域名结构

我们都知道，在互联网中，每一台计算机想要访问互联网，都需要一个IP地址来进行网络通信，可以是形如192.168.1.1这样的点分十进制的IPv4地址，也可以是形如[0:0:0:0:0:0:0:1]这样方括号包围的十六进制的IPv6地址，但是这些地址不便于记忆，所以就产生了域名这种方便人们记住的东西（当然你要是记忆力好能记住IP地址，在浏览器地址栏输入URL的时候，也可以直接用IP地址替换掉域名，效果是一样的）。

域名也可以叫做主机名。这里我们先给出一个域名，例如www.abc.com，以这个域名为例，来看一下域名的结构。

域名采用层次化的结构，其中com是顶级域名，abc是二级域名，www是三级域名，从语法上来说，每个域名都是几个不同层级的名字用.连接起来的组合，域名不区分大小写字母，所以www.ABC.com和www.abc.com是一样的，按照规定来说，域名有长度限制，这里就不再细讲。

上面提到，com是一个顶级域名（TLD，Top Level Domain），除了com之外，顶级域名还有好多，一般来说可以分为：

• 国家顶级域名

  如cn表示中国，us表示美国，uk表示英国，当然还有一些特殊地区也有所谓的国家顶级域名，比如hk表示香港

• 通用顶级域名

  如com表示公司企业，net表示网络服务机构，org表示非营利组织，edu表示美国教育机构（中国的教育机构一般来说是xxx.edu.cn），gov表示美国政府部门（中国的政府部门一般来说是xxx.gov.cn）等。

• 基础结构域名

  不常见，不做叙述。

所以说，在中国，企业的域名一般可以是xxx.com、xxx.com.cn、xxx.cn。

下面这个域名树，清晰地展示了互联网的域名空间：

互联网的域名结构

在图中，edu.cn下面，划分除了很多三级域名，如tsinghua、pku等，一旦某个单位有了一个域名，它就可以自己决定是否要进一步划分下属的子域，域名树的树叶节点就是单台计算机的名字，不能再继续划分了，例如mail和www这两台计算机的完整域名分别为mail.tsinghua.edu.cn和www.tsinghua.edu.cn（这里起什么名字都可以，一般来说，人们愿意把用作邮件服务器的计算机叫做mail，把用作网站的服务器叫做www）。

到这里，我们已经知道了为什么要有域名以及域名的结构，域名就是为了便于人们记忆而产生的，但是域名是方便人们记忆了，计算机反而不好处理了，它更善于处理IP地址这种东西，所以这里就用到了我们要讲的DNS协议，用来把域名映射到IP地址，在了解DNS解析域名的过程之前，我们还需要了解一下域名服务器这种东西（怎么这么多东西，写个博客好麻烦啊23333）。

2. 域名服务器（DNS服务器）

上面说到了域名体系的树状结构，为了实现域名系统，我们首先想到的就是在域名树的每个节点都设置一台对应的服务器，这样就可以了，但是这样做的后果就是导致域名服务器太多，域名系统的运行效率太低，所以，通常是将好多个节点划分为一个区，用分区的方式来实现域名系统，如下图：

DNS分区

其中，(a)是abc这个公司只设置了一个分区的样子，(b)是abc公司设置了两个分区的样子，这两个区分别为abc.com和y.abc.com，这两个区对应了两个权限域名服务器（后面还会提到）。下图可以看出域名服务器的层次结构：

域名服务器的层次结构

由上图可以看出，根据域名服务器起的作用，可以把域名服务器分为四种不同的类型：

• 根域名服务器

  根域名服务器对应的是域名树中的根节点，是最高层次的域名服务器，但是并不是只有一台，而是有好多台，总共有13个不同IP地址的根域名服务器，用a到m来表示，如a.rootservers.net，每个IP地址对应一套装置，一套装置在世界不同地点安装了服务器，总之，数量很多，当访问根域名服务器时，往往就是由路由器找到最近的根域名服务器访问。

  一般来说，每台根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名以及IP地址，但往往也只知道这些，所以访问根域名服务器一般只能得到顶级域名服务器的IP地址，而不能直接知晓你要找的具体服务器的IP。一般来讲，如果要通过互联网解析域名，本地域名服务器首先访问的就是根域名服务器，下面还会讲到。

• 顶级域名服务器

  顶级域名服务器负责管理在顶级域名下的所有二级域名，例如cn是顶级域名服务器，管理edu、gov等二级域名，当接收到查询请求时，要么给出最终结果（即具体IP地址），要么给出下一步应该访问的权限域名服务器的IP地址。

• 权限域名服务器

  权限域名服务器上面已经提到过一次了，就是每个域名分区对应一个服务器就叫做权限域名服务器。当接收到DNS查询请求时，如果可以给出具体的IP地址就给出（例如前面的abc.com可以给出v.x.abc.com的IP地址，所以直接返回），如果不可以，就把下一步要访问的权限域名服务器的IP地址返回（如abc.com不能给出t.y.abc.com的IP，就会把y.abc.com这个权限域名服务器的IP地址返回）。

• 本地域名服务器

  可能有人已经发现了，上面的图中并没有本地域名服务器这一层级结构，这是因为本地域名服务器（有时候也叫作首选域名服务器或者默认域名服务器）不属于域名树的层次结构，但是相当重要。当一台计算机要进行DNS查询的时候，就会将查询的请求发给本地域名服务器。

  一般来说，一个互联网服务提供商（ISP）或者是一个大学（甚至是一个系）都有一个本地域名服务器，也就是说，当你再学校内使用校园网时，你的本地域名服务器并不是指你自己的电脑，因为你的系或者你的学校，都共用一个本地域名服务器。

3. 域名解析过程

在了解了上面的域名结构以及域名服务器之后，我们来看一下域名的解析过程，总的来讲，主机向本地域名服务器的域名查询一般采用递归查询，而本地域名服务器向根域名服务器的查询一般采用迭代查询。

概念其实很简单，递归查询就是如果主机向本地域名服务器查询IP，本地域名服务器不知道IP地址，这是本地域名服务器就代替主机称为DNS客户，向根域名服务器进行下一步查询。而迭代查询就是，在本地域名服务器向根域名服务器查询时，根域名服务器要么给出最终的IP地址，要么给出下一步本地域名服务器要访问的顶级域名服务器的IP地址，之后本地域名服务器再去访问相应的顶级域名服务器（而不是让根域名服务器代替本地域名服务器去进行下一步查询）。简单来说，递归查询返回具体IP地址或者报错没找到，迭代查询返回具体IP地址或者返回下一步的IP地址。如下图：

域名查询方式1

当然，我们也可以指定查询方式让查询过程全程使用递归查询，如下图：

域名查询方式2

下面以一个例子说说明在无缓存的情况下（下面会谈到缓存），通过DNS来查询域名的步骤，假设域名为 m.xyz.com的主机想要查询 y.abc.com这个域名对应的IP地址，那么他就会按照域名查询方式1（上图）中的方式进行查询：

1. 主机m.xyz.com先向本地域名服务器dns.xyz.com进行递归查询。
2. 本地域名服务器无法给出IP地址，所以本地域名服务器向（离自己最近的）根域名服务器查询，这是的查询已经变为了迭代查询。
3. 根域名服务器根据本地域名服务器发送的报文，知道了下一步应该查询的是哪个顶级域名服务器，这时根域名服务器告诉本地域名服务器，下一步应该查询的顶级域名服务器dns.com的IP地址。
4. 本地域名服务器向顶级域名服务器dns.com发送请求查询。
5. 顶级域名服务器dns.com告诉本地域名服务器，下一步应该查询的权限域名服务器dns.abc.com的IP地址。
6. 本地域名服务器向权限域名服务器dns.abc.com发送请求查询。
7. 权限域名服务器dns.abc.com告诉本地域名服务器想要查询的域名y.abc.com的IP地址。
8. 本地域名服务器在拿到IP地址后，将IP地址返回给主机m.xyz.com。
   这就是域名查询的具体过程，因为DNS协议的基于UDP协议，所以上述8个步骤中，总共使用了8个UDP报文。

上面提到，这是在没有缓存的情况下的DNS查询，实际上，为了提高查询的效率以及降低根域名服务器的负荷，一般来说域名服务器中都有高速缓存，用来记录最近查询过的域名的缓存，如果在查询域名时，有想要的域名到IP的映射缓存，并且缓存没有过期，那么就直接将缓存中域名映射的IP地址返回，省去了接下来的查询。只有在没有缓存或者缓存过期了才会进行下一步的查询。实际上，不知域名服务器有缓存，每台计算机甚至浏览器都会对域名到IP的映射进行缓存，这样一来大大加快的DNS的查询速度。

上面这些就是DNS协议的大概了，如果觉得有哪里写的不对的，还请多多指教。

参考书籍：《计算机网络》谢希仁