网络协议 16 - DNS 协议：网络世界的地址簿
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为什么在地址栏输入域名，就能直接访问到对应服务器？全局负载均衡和内部负载均衡又是什么？这些都和 DNS 解析息息相关，让我们一起来解密 DNS 解析。
其实说起 DNS 解析，应该都知道它很像地址簿。就像我们去一家新开的沃尔玛超市，通过地址簿查出来沃尔玛在哪条路多少号，然后再去找。
在网络世界中，也是这样的。我们可以记住网站的名称，但是很难记住网站的 IP 地址，因此需要一个“地址簿”，帮我们将网站名称转换成 IP。这个“地址簿”就是 DNS 服务器。
DNS 服务器
对于 DNS 服务器而言，全球每个人上网，都需要访问它。
而全球的网民数，据最新统计，已经有 40 亿，每个人都访问它，可想而知 DNS 服务器会有很大的访问流量压力（高并发）。
而且，它还非常重要，一旦出了故障，整个互联网都将瘫痪（高可用）。
此外，上网的人分布在全世界各地，如果大家都去同一个地方的某一台服务器，时延将会非常的（分布式）。
因此，DNS 服务器一定要具备高可用、高并发、分布式的特点。
基于此，DNS 服务器设计成树状的层次结构。如下图：
- 根 DNS 服务器：返回顶级域 DNS 服务器的 IP 地址；
- 顶级域 DNS 服务器：返回权威 DNS 服务器的 IP 地址；
- 权威 DNS 服务器：返回相应主机的 IP 地址。
DNS 解析流程
上面说了 DNS 服务器面临大流量访问的压力，因此，为了提高 DNS 的解析性能，很多网站都会就近部署 DNS 缓存服务器。所以，我们常见的 DNS 解析流程就变成了：
- 客户端发出 DNS 请求给本地域名服务器。我们访问博客园，客户端会问本地域名服务器， www.cnblogs.com 的 IP 是什么？（本地域名服务器，如果网络是通过 DHCP 配置，本地 DNS 是由你的网络服务商，如电信、联通等自动分配，它通常就在网络服务商的机房里）；
- 本地 DNS 收到来自客户端的请求，查找“地址簿”，返回 IP 或请求根域名服务器。我们可以理解为服务器上缓存了一张域名与 IP 对应的大表，如果能找到 www.cnblogs.com，就直接返回对应的 IP 地址。如果没有找到，本地 DNS 会去问它的根域名服务器；
- 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求，返回 .com 对应的顶级域名服务器的地址。根域名服务器是最高层次的，全球共有 13 套，它不直接用于域名解析，而是指明怎样去查找对应 IP。它发现请求的域名后缀是 .com，就会返回 .com 对应的顶级域名服务器的地址；
- 本地 DNS 服务器收到顶级 DNS 服务器地址，请求顶级 DNS 服务器查询域名 IP；
- 顶级 DNS 服务器返回权威 DNS 服务器地址。顶级域名服务器就是大名鼎鼎的，负责 .com、.net、.org 这些二级域名，比如 cnblogs.com，它会返回对应的权威 DNS 服务器地址；
- 本地 DNS 服务器收到权威 DNS 服务器地址，请求权威 DNS 服务器查询域名 IP。而 cnblogs.com 的权威 DNS 服务器就是域名解析结果的原出处；
- 权威 DNS 服务器返回对应 IP。权威 DNS 服务器查询“地址簿”，获取到域名对应 IP 地址，返回给本地 DNS 服务器；
- 本地 DNS 服务器收到 IP，返回给客户端；
- 客户端与目标建立连接。
至此，我们完成了 DNS 的解析过程，整个过程如下图：
负载均衡
站在客户端角度，上述过程是一次 DNS 递归查询过程。因为本地 DNS 全权为它代劳，它只要坐等结果就好了。在这个过程中，DNS 除了可以通过名称映射为 IP 地址外，它还可以做另外一件很重要的事 - 负载均衡。
还是拿我们逛沃尔玛超市为例。它可能在一个城市里会有多家店，我们要逛沃尔玛，可以就近找一家，而不用都去同一家，这就是负载均衡。
DNS 做负载均衡也有花样可以玩。
1）DNS 做内部负载均衡
所谓的内部负载均衡，其实很好理解。就像我们的应用访问数据库，在应用里配置的数据库地址。如果配置成 IP 地址，一旦数据库换到了另外一台机器，我们就要修改配置。如果我们有很多台应用同时连一个数据库，一换 IP，就需要将这些应用的配置全部修改一遍，是不是很麻烦？所以，我们可以将数据地址配置成域名。在更换数据库位置时，只要在 DNS 服务器里，将域名映射为新的 IP 地址就可以了。
在这个基础上，我们可以更进一步 。例如，某个应用要访问另外一个应用，如果配置另外一个应用的 IP 地址，那么这个访问就是一对一的。但是当被访问的应用因流量过大撑不住的时候，我们就需要部署多个应用。这时候，我们就不能直接配置成 IP，而是要配置域名了。只要在域名解析的时候，配置好策略，这次返回一个 IP，下次返回第二个 IP，就实现了负载均衡。
2）DNS 做全局负载均衡
为了保证我们应用的高可用性，往往会将应用部署在多个机房，每个地方都会有自己的 IP 地址。当用户访问某个域名的时候，这个 IP 地址可以轮询访问多个数据中心。如果一个数据中心因为某种原因挂了，只要将这个 IP 地址从 DNS 服务器中删掉就可以了，用户不会访问到宕机的服务器，保证了应用的可用性。
另外，我们肯定希望用户能访问就近的数据中心。这样客户访问速度就会快很多，体验也会好很多，也就实现了全局负载均衡的概念。
负载均衡示例
我们通过 NDS 访问数据中心对象存储上的静态资源为例，来看一看整个过程。
假设全国有多个数据中心，托管在多个运营商，每个数据中心有三个可用区。对象存储可以通过跨可用区部署，实现高可用性。在每个数据中心中，都至少部署两个内部负载均衡器，内部负载均衡器后面对接多个对象存储的前置服务器（Proxy-server）。那么，请求过程如下图：
- 当一个客户端要访问 object.yourcompany.com 的时候，需要将域名转换为 IP 地址进行访问，所以它要请求本地 DNS 解析器；
- 本地 DNS 解析器先查看本地的缓存是否有这个记录。如果有，就直接用，省略后续查询步骤，提高相应时间；
- 如果本地无缓存，就需要请求本地的 DNS 服务器；
- 本地 DNS 服务器一般部署在数据中心或者你所在的运营商网络中。本地 DNS 服务器也需要看本地是否有缓存，如果有，就直接返回；
- 本地没有，通过第 5、6、7 步骤获取到 IP 地址，缓存到本地 DNS 解析器中，然后在返回给客户端。
对于不需要做全局负载均衡的简单应用来讲，yourcompany.com 的权威 DNS 服务器可以直接将 object.yourcompa.com 这个域名解析为一个或者多个 IP 地址，然后客户端可以通过多个 IP 地址，进行简单的轮询，实现简单的负载均衡。
但是对于复制的应用，尤其是跨地域跨运营商的大型应用，就需要更加复杂的全局负载均衡机制，因而需要专门的设备或者服务器来做这件事情，这就是全局负载均衡器（GSLB，Global Server Load Balance）。
在 yourcompany.com 的 DNS 服务器中，一般是通过配置 CNAME 的方式，给 object.yourcompany.com 起一个别名。例如 object.vip.yourcompany.com，然后告诉本地 DNS 服务器，让它请求 GSLB 解析这个域名，GSLB 就可以在解析这个域名的过程中，通过自己的策略实现负载均衡。
上图中画了两层的 GSLB，是因为分运营商和地域。我们希望不同运营商的客户，可以访问对应运营商机房中的资源，这样不跨运营商访问，有利于提高吞吐量，减少时延。两层 GSLB 的过程如下：
- 第一层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器所在的运营商，就知道用户所在的运营商。假设是移动，通过 CNAME 的方式，通过另一个别名 object.yd.yourcompany.com，告诉本地 DNS 服务器去请求第二层的 GSLB；
- 第二层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器的地址，知道用户所在的地理位置，然后将距离用户位置比较近的一个 Region 的六个内部负载均衡的地址，返回给本地 DNS 服务器；
- 本地 DNS 服务器将结果返回给本地 DNS 解析器；
- 本地 DNS 解析器将结果缓存后，返回给客户端；
- 客户端开始访问属于相同运营商的，且距离比较近的 Region1 中的对象存储。当然，客户端得到了六个 IP 地址，它可以通过负载均衡的方式，随机或者轮询选择一个可用区进行访问。对象存储一般会有三个备份，从而实现对存储读写的负载均衡。
小结
- DNS 是网络世界的地址簿。可以通过域名查地址，因为域名服务器是按照树状结构组织的，因而域名查找是使用递归查询的方式，并通过缓存的方式加快效率；
- 在域名和 IP 的映射中，给了应用基于域名做负载均衡的机会，可以是简单的负载均衡，也可以是根据地址和运营商做的全局负载均衡。
参考：
- 维基百科-域名系统 词条；
- 知乎-域名解析；
- 刘超 - 趣谈网络协议系列课；
