小菜学网络之DNS服务器工作原理-dns服务器工作原理

通过上节学习，我们初步掌握了域名系统的基本原理。通过域名访问网络服务时，需要先向 DNS 服务器查询域名对应的 IP 地址。那么，是不是所有域名都保存在一台服务器上呢?

答案肯定是否定的。全球现有的域名数量是一个天文数字，不是一两台服务器就能保存的。实际上，DNS 服务器分为很多角色，形成了一个等级深严的分布式体系。

本节，我们一起来扒一扒这背后的故事。

管理机构

全球域名的最高管理机构是 ICANN ( Internet Corporation for Assigned Names and Numbers )，它是一个总部位于美国加州的组织。ICANN 负责管理整个域名系统的运作，主要工作是规划顶级域名 ( top level domain ，简写为 TLD )。

顶级域名是域名的第一级，可分为两种：

通用顶级域，例如 .com 、 .net 、 .edu 、 .org 等等;
国家地区顶级域，例如 .cn 、 .hk 、.jp 、 .us 等等;

ICANN 不会直接管理这些顶级域，因为顶级域名太多，根本管不过来。目前，全球顶级域名超过 1000 个，每个顶级域名下还有很多批发商和零售注册商，管起来太麻烦了。

因此，ICANN 为每个顶级域名都找一个托管商，来负责该域名下的所有事项。这样一来，ICANN 只需与托管商打交道，日子也就舒服多了。

举个例子，.cn 域名托管给中国互联网络信息中心 ( CNNIC )，由它制定 .cn 域名的各种政策;而 .com 域名则托管给 VeriSign 公司。

这样看来，ICANN 控制着根域名 ( root domain )的控制权：

一方面，它决定着根域下有多少子节点，即顶级域名;
另一方面，它决定每个顶级域名的托管商;

根服务器

理论上，查询任何域名都需要先查询 ICANN 的根域。因为只有根域才能知道：某个域由谁托管，服务器是哪些。事实上也确实如此，ICANN 维护着一张映射表，记录了每个顶级域名和对应的托管商。

举个例子，查询 www.fasionchan.com 这个域名时，我们需要先查询 ICANN 的映射表。它会告诉我 .com 域名由 VeriSign 托管，所以我必须去找 VeriSign ，而 VeriSign 会告诉我查询 fasionchan.com 又该找谁。

ICANN 维护的这个根域名列表，叫做 DNS根区 ( DNS root zone )。ICANN 官网提供了根区相关信息，包括根区文件。根区文件保存着所有顶级域名的托管信息，所以非常大，超过 2MB 。

以 .com 这个顶级域为例，从根区可以查询到 13 个域名服务器：

com.            172800  IN  NS  b.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  g.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  f.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  e.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  c.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  j.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  k.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  a.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  i.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  m.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  d.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  h.gtld-servers.net. 
com.            172800  IN  NS  l.gtld-servers.net.

也就是说， .com 结尾的域名可以到这 13 台服务器中的任一台去查询，比如 a.gtld-servers.net 。

我们注意到，这 13 台服务器还是以域名的形式提供的。换句话讲，我们必须先通过域名，找到 .com 服务器的 IP 地址。但是，这样不就造成循环查询了吗?

为此，DNS 根区还会同时提供这些服务器的 IP 地址，包括 IPv4 和 IPv6 两个版本：

a.gtld-servers.net. 172800  IN  A   192.5.6.30 
b.gtld-servers.net. 172800  IN  A   192.33.14.30 
... 
m.gtld-servers.net. 172800  IN  A   192.55.83.30 
a.gtld-servers.net. 172800  IN  AAAA    2001:503:a83e::2:30 
b.gtld-servers.net. 172800  IN  AAAA    2001:503:231d::2:30 
... 
m.gtld-servers.net. 172800  IN  AAAA    2001:501:b1f9::30

那 DNS 根区列表保存在哪里呢?答案是根域名服务器 ( root name server )。

早年间，全世界只有 13 台根域名服务器，编号从 a.root-servers.net 到 m.root-servers.net 。因为早期的 DNS 查询结果是通过一个 512 字节的 UDP 数据报来传输的，它最多只能容纳 13 个服务器地址。

根域名服务器列表可在 root-servers.org 上查询。

这 13 台根域名服务器，由 12 个独立的组织独立运营。其中，A 和 J 这两台是由 VeriSign 公司管理的。每个运营组织为了保证可用性，会部署很多个节点。单单根服务器 A 就部署了 16 个节点，分布在世界各地。

虽然每个根服务器都部署了多个节点，但他们的 IP 地址都是一样的。拿根服务器 A 来说，它的 16 个节点，IP 地址都是 198.41.0.4 。这也太神奇了吧!这么多节点共用一个 IP 地址，难道不会冲突吗?

得益于 Anycast 路由技术，分散在不同地理位置的多台服务器，可以使用相同的 IP 地址。当发送方向这个 IP 地址发送数据时，路由协议会自动选择一个最近的节点。Anycast 路由技术先按下不表，后续有机会再展开介绍。

这意味着全球只有 13 台根域名服务器，对应的 IP 地址也只有 13 个，执行 dig 命令即可获得：

root@netbox [ ~ ]  ➜ dig . NS 
 
; <<>> DiG 9.16.1-Ubuntu <<>> @10.2.66.66 . NS 
; (1 server found) 
;; global options: +cmd 
;; Got answer: 
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 42791 
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 13, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 8 
 
;; OPT PSEUDOSECTION: 
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4000 
;; QUESTION SECTION: 
;.              IN  NS 
 
;; ANSWER SECTION: 
.           1700    IN  NS  k.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  m.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  l.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  b.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  g.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  f.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  d.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  e.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  i.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  a.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  h.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  j.root-servers.net. 
.           1700    IN  NS  c.root-servers.net. 
 
;; ADDITIONAL SECTION: 
k.root-servers.net. 3282    IN  A   193.0.14.129 
g.root-servers.net. 2845    IN  A   192.112.36.4 
d.root-servers.net. 118 IN  A   199.7.91.13 
e.root-servers.net. 494 IN  A   192.203.230.10 
a.root-servers.net. 1771    IN  A   198.41.0.4 
j.root-servers.net. 3197    IN  A   192.58.128.30 
c.root-servers.net. 1830    IN  A   192.33.4.12 
 
;; Query time: 14 msec 
;; SERVER: 10.2.66.66#53(10.2.66.66) 
;; WHEN: Thu Apr 08 09:01:17 CST 2021 
;; MSG SIZE  rcvd: 364

迭代查询

当我们查询一个域名时，必须从根服务器开始，逐层查询，这就是所谓的迭代查询 ( iterative query )。

如上图，当我们查询一个域名，例如 www.fasionchan.com 时：

先查询根域名服务器 ;

根域名服务器就 13 台，IP 大家都知道，极少改动;
根域名服务器保存根区列表，列表包含顶级域名的托管商，以及相关服务器信息;
根域名服务器根据根区列表，告诉我们 .com 顶级域应该找谁查询;

根据根服务器返回结果，继续查询负责 .com 解析的服务器，一般叫做顶级域名服务器 ;

主域名 fasionchan.com 注册后，需要将负责该域名解析的服务器，登记在 .com 顶级域名服务器上;
.com 顶级域名服务器根据这个信息，告诉我们 fasionchan.com 这个域名应该找谁查询;

根据顶级域名服务器返回结果，继续查询负责 fasionchan.com 解析的服务器，一般叫做权威域名服务器 ;

fasionchan.com 子域信息一般都登记在权威服务器上;
权威服务器取出 www.fasionchan.com 对应记录，并返回给我们，查询结束;
如果某个子域由其他权威服务器负责，我们还需要继续迭代，直到查询完毕;

无论查询什么域名，都需要先查根域名服务器。这样的话，根服务器不会压力太大了吗?

其实完全不用担心。因为保存在根服务器上的根区列表一般很少改变，因此客户端可以将它缓存起来，以此降低根服务器的查询压力。

缓存服务器

实际上，客户端一般不自己进行迭代解析，而是通过本地的递归解析器。以访问网站 www.fasionchan.com 为例：

客户端向本地的递归解析器查询域名 www.fasionchan.com ;
递归解析器向根域名服务器查询域名 www.fasionchan.com ;
根域名服务器告诉递归解析器，应该去找 .com 的顶级域名服务器;
递归解析器向顶级域名服务器查询域名 www.fasionchan.com ;
顶级域名服务器告诉递归解析器，应该去找 fasionchan.com 的权威域名服务器;
递归解析器向权威域名服务器查询域名 www.fasionchan.com ;
权威服务器向递归解析器返回结果;
递归解析器向客户端返回结果;
客户端拿到域名对应的 IP 地址后，即可向该 Web 服务器发起请求;
Web 服务器处理请求后，向客户端返回结果;

注意到，递归解析器需要从根服务器开始，逐层查询，这个过程是迭代解析。迭代解析最显著的特征在于，如果服务器没有关于待查域名的结果，它会告诉客户端应该去哪里查询，根服务器就是典型的例子。

递归解析器就不一样了。当它收到未知域名的查询请求后，它会替客户端向其他 DNS 服务器发起请求，然后再把结果返回给客户端，这个过程就叫递归解析 ( recursive query )。

递归解析对客户端来说是完全透明的，客户端完全不用关心递归解析器背后的其他 DNS 服务器。

此外，递归解析器还会将查询结果在本地缓存起来。当域名再次被查询时，它可直接返回缓存结果，无须重新查询其他 DNS 服务器。正因如此，递归解析器通常被称为 DNS缓存服务器。

那么，客户端主机如何配置 DNS 缓存服务器呢?以 Linux 系统为例，只需编辑 /etc/resolv.conf 配置文件：

root@netbox [ ~ ]  ➜ cat /etc/resolv.conf 
# This file is included on the metadata iso 
nameserver 192.168.65.1

关键字 nameserver 后面跟 DNS 缓存服务器地址，可以写多行配置多个 DNS 缓存服务器，以达到冗余效果。