【网络基础】DNS 原理入门
1 前言
今天我们来看看DNS，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。
2 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。
域名对应的 IP 地址，都保存在 DNS 服务器。我们输入域名，浏览器就会在后台，自动向 DNS 服务器发出请求，获取对应的 IP 地址。
3 查询过程
在看DNS之前，我们先看个命令，使用dig命令，一般是直接用“dig+域名”来输出答案。这个命令输出的答案，信息量最多。
# 跟踪整个查询过程 dig +trace baidu.com # 查询域的MX记录 dig baidu.com MX # 查询域的TTL记录 dig baidu.com TTL # 反向查询(查询IP的DNS) dig -x 8.8.8.8 +short
我们现在来看一下查询过程：
$ dig math.stackexchange.com
上面的命令会输出六段信息。
第一段是查询参数和统计。
第二段是查询内容。
上面结果表示，查询域名math.stackexchange.com的A记录，A是address的缩写。
第三段是DNS服务器的答复。
上面结果显示，math.stackexchange.com有四个A记录，即四个IP地址。600是TTL值（Time to live 的缩写），表示缓存时间，即600秒之内不用重新查询。
第四段显示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。
上面结果显示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。
第五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。
第六段是DNS服务器的一些传输信息。
上面结果显示，本机的DNS服务器是192.168.1.253，查询端口是53（DNS服务器的默认端口），以及回应长度是305字节。
如果不想看到这么多内容，可以使用+short参数，比如下面命令只返回math.stackexchange.com对应的4个IP地址（即A记录）。
$ dig +short math.stackexchange.com 151.101.129.69 151.101.65.69 151.101.193.69 151.101.1.69
4 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。
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。
5 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。
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，域名是一个树状结构，如下。
（1）根域名
所有域名的起点都是根域名，它写作一个点.，放在域名的结尾。因为这部分对于所有域名都是相同的，所以就省略不写了，比如example.com等同于example.com.（结尾多一个点）。
你可以试试，任何一个域名结尾加一个点，浏览器都可以正常解析，可能有的做了限制会访问失败，但是都能正常解析。
（2）顶级域名
根域名的下一级是顶级域名。它分成两种：通用顶级域名（gTLD，比如 .com 和 .net）和国别顶级域名（ccTLD，比如 .cn 和 .us）。
顶级域名由国际域名管理机构 ICANN 控制，它委托商业公司管理 gTLD，委托各国管理自己的国别域名。
（3）一级域名
一级域名就是你在某个顶级域名下面，自己注册的域名。比如，stackexchange.com就是在顶级域名.com下面注册的。
（4）二级域名
二级域名是一级域名的子域名，是域名拥有者自行设置的，不用得到许可。比如，math 就是 math.stackexchange.com 的二级域名。
这种树状结构的意义在于，只有上级域名，才知道下一级域名的 IP 地址，需要逐级查询。
每一级域名都有自己的 DNS 服务器，存放下级域名的 IP 地址。
所以，如果想要查询二级域名 math.stackexchange.com
第一步，查询根域名服务器，获得顶级域名服务器.com（又称 TLD 服务器）的 IP 地址。
第二步，查询 TLD 服务器 .com，获得一级域名服务器 stackexchange.com 的 IP 地址。
第三步，查询一级域名服务器 stackexchange.com，获得二级域名 math 的 IP 地址。
6 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。
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） 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） 从"次级域名服务器"查出"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。
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，世界上一共有十三组根域名服务器，从A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。
7 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。
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。
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。
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。
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-463.awsdns-57.com，IP地址为205.251.193.207。
8 DNS 服务器的种类
比如公用的 DNS 服务器：1.1.1.1 则把分步骤的查询过程自动化，方便用户一次性得到结果，所以它称为递归 DNS 服务器（recursive DNS server），即可以自动递归查询。
我们平常说的 DNS 服务器，一般都是指递归 DNS 服务器。它把 DNS 查询自动化了，只要向它查询就可以了。
它内部有缓存，可以保存以前查询的结果，下次再有人查询，就直接返回缓存里面的结果。所以它能加快查询，减轻源头 DNS 服务器的负担。
一级域名服务器的正式名称叫做权威域名服务器（Authoritative Name Server）。
"权威"的意思是域名的 IP 地址由它给定，不像递归服务器自己做不了主。我们购买域名后，设置 DNS 服务器就是在设置该域名的权威服务器。
综上所述，DNS 服务器可以分成四种：
- 根域名服务器
- TLD 服务器
- 权威域名服务器
- 递归域名服务器
9 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：
（1）A：地址记录（Address），返回域名指向的IP地址。
（2）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。
（3）MX：邮件记录（Mail eXchange），返回接收电子邮件的服务器地址。
（4）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。
（5）PTR：逆向查询记录（Pointer Record），只用于从IP地址查询域名。
（6）AAAA：是用来将域名解析到IPv6地址的DNS记录。用户可以将一个域名解析到IPv6地址上，也可以将子域名解析到IPv6地址上。国内大多数IDC不支持AAAA记录的解析，因此如果想进行AAAA记录解析，则需对域名NS记录设置一些专业的域名解析服务商，由他们提供AAAA记录的设置。中科三方云解析支持IPv6环境下的AAAA记录解析。
（7）TXT：一般指某个主机名或域名的标识和说明。如：admin IN TXT "管理员, 电话：XXXXXXXXXXX"，mail IN TXT "邮件主机，存放在xxx , 管理人：AAA"，Jim IN TXT "contact: abc@mailserver.com"，也就是说，通过设置TXT记录内容可以使别人更方便地联系到你。TXT 记录常用的方式还有做 SPF 记录（反垃圾邮件）和SSL证书的DNS验证等。
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。
10 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 <ip>。
$ 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
11 小结
好啦，关于DNS的我们就看到里哈，有理解不对的地方欢迎指正哈。
