應用層之DNS網域名稱系統

在網際網路中，識別一台主機有兩種方式，通過主機名或者ip位址。人們喜歡便於記憶的主機名標識方式，而路由器則喜歡定長的、有著層次結構的ip位址。為了折衷這些不同的偏好，我們需要一種能進行主機名到ip位址轉換的目錄服務，這就是dns網域名稱系統的主要任務。

dns是：

1.乙個由分層的dns伺服器實現的分布式資料庫

2.乙個使得主機能夠查詢分布式資料庫的應用層協議。

dns不是乙個直接和使用者打交道的應用，它是為網際網路的使用者應用程式以及其他軟體提供一種核心功能。dns通常是由其他應用層協議使用的，包括http、smtp和ftp等，將使用者提供的主機名解析為ip位址。

除了進行主機名到ip位址的轉換外，dns還提供了一些重要的服務：

（1）主機別名

有著複雜主機名的主機能夠擁有乙個或者多個別名。例如，一台名為relay1.west-coast.enterprise.com的主機，可能還有兩個別名為enterprise.com和www.enterprise.com。這種情況下，relay1.west-coast.enterprise.com稱為規範主機名，而主機別名比規範主機名更加容易記憶。

應用程式可以呼叫dns來獲得主機別名對應的規範主機名以及主機的ip位址。

（2）郵件伺服器別名

我們通常也希望電子郵件的位址比較容易記憶。比如我的郵箱位址可能是[email protected]，然而hotmail郵件伺服器的主機名可能更加複雜，比如類似於relay1.west-coast.hotmail.com這樣，所以也需要dns對其進行解析。

當然，電子郵件應用程式也可以呼叫dns，對提供的郵件伺服器別名進行解析，以獲得該主機的規範主機名及其ip位址。

實際上，mx記錄允許乙個公司的郵件伺服器和web伺服器使用相同的別名。比如乙個公司的web伺服器和郵件伺服器都能叫做enterprise.com。

（3）負載分配

dns也用於在冗餘的伺服器之間進行負載分配。一些繁忙的站點被冗餘分布在多台伺服器上，每台伺服器均執行在不同的端系統上，有著不同的ip位址。所以在這種情況下，乙個ip位址集合與乙個規範主機名關聯。dns資料庫儲存著這些ip位址集合。當客戶對該主機名進行dns請求時，伺服器用ip位址的整個集合進行響應，但在每個回答中迴圈這些位址次序。

因為客戶通常總是與ip位址排在最前面的伺服器建立連線，所以dns就在所有這些冗餘伺服器之間迴圈分配了負載。

dns採用了分布式的設計方案。dns是乙個在網際網路上實現分布式資料庫的精彩範例。

dns使用了大量的dns伺服器，它們以層次方式組織，並分布在全世界範圍內。大致來說，有3中型別的dns伺服器：根dns伺服器、頂級域（top-level domain，tld）dns伺服器和權威dns伺服器。它們以下圖的層次結構組織：

假定乙個dns客戶想要確定www.amazon.com的ip位址，將發生下列事件： 

1. 客戶事先與根伺服器之一聯絡，它將返回頂級網域名稱.com的tld伺服器的ip位址。 

2. 該客戶則與這些tld伺服器之一聯絡，它將為amazon.com返回權威伺服器的ip位址。 

3. 最後該客戶與amazon.com權威伺服器之一聯絡，它為主機名www.amazon.com返回其ip位址。

本地dns伺服器起著**的作用，本地主機將dns請求發向本地dns伺服器，本地dns伺服器將該請求**到dns伺服器層次結構中。

下圖例子假設主機cs.ustc.edu想知道主機cs.csu.edu的ip位址，假設ustc大學的本地dns伺服器為dns.ustc.edu，同時假設csu大學的權威dns伺服器為dns.csu.edu。

主機cs.ustc.edu首先向它的本地dns伺服器dns.ustc.edu傳送乙個dns查詢報文。該查詢報文含有被轉換的主機名cs.csu.edu。 

本地dns伺服器將該查詢報文傳送到根dns伺服器，根dns伺服器注意到edu的字首，所以將負責edu的tld的ip位址列表返回給本地dns伺服器。 

本地dns伺服器再次向這些tld伺服器之一傳送dns查詢報文，該tld伺服器注意到csu.edu的字首，所以將權威伺服器dns.cs.edu的ip位址返回給本地dns伺服器。 

本地dns伺服器向權威伺服器dns.cs.edu傳送查詢報文，權威伺服器用cs.csu.edu的ip位址進行響應。 

最後，本地dns伺服器將查詢得到的ip位址返回給主機cs.ustc.edu

上述例子同時利用了遞迴查詢和迭代查詢，cs.ustc.edu向dns.ustc.edu發出的查詢是遞迴查詢，因為該查詢請求dns.ustc.edu以自己的名義獲得該對映。而後繼的3個查詢是迭代查詢，因為所有的回答都是直接返回給dns.ustc.edu。

從理論上講，任何dns查詢既可以是迭代的也能是遞迴的，比如，可能是下面的遞迴dns查詢鏈：

而在實際中，大多遵循第乙個圖的模式。

如果每次dns解析都要走完上面介紹的整個流程，就會帶來網路頻寬的消耗和時延，這對於使用者和dns解析系統都是不友好的。

所以當本地dns伺服器在完成一次查詢後就會將得到的主機名到ip位址的對映快取到本地，從而加快dns的解析速度。實際上，你的訪問的解析大多數都是在本地伺服器上完成的。

由於主機名和ip位址之間的對映不是永久的，dns伺服器在一段時間後，通常是兩天，就會丟棄快取資訊。

共同實現dns分布式資料庫的所有dns伺服器儲存了資源記錄（resource record，rr），資源記錄是乙個包含了下列欄位的四元組：

（name，value，type，ttl）

name和value的值取決於type。

dns只有查詢報文和回答報文這兩種，並且，查詢報文和回答報文有著相同的格式。如下：

前12個位元組是首部區域。第乙個欄位是識別符號，它是乙個16bit的數，用於標識該查詢。這個識別符號會被複製到對查詢的回答報文中，以便讓客戶用它來匹配傳送的請求和接收到的回答。

標誌欄位有若干標誌： 

- 1位元的「查詢/回答」標誌位指出報文是查詢報文（0）還是回答報文（1）。 

- 當某dns伺服器是所請求名字的權威伺服器時，1位元的「權威的」標誌被置在回答報文中。 

- 如果客戶在該dns伺服器沒有某記錄時希望它執行遞迴查詢，將設定1位元的「希望遞迴」標誌位。如果該dns伺服器支援遞迴查詢，在它的回答報文中會對1位元的「遞迴可用」標誌位置位。

首部還有4個有關數量的字段，指出在首部後的4類資料區域出現的數量。

問題區域包含正在進行的查詢資訊。該區域包括（1）名字字段，指出正在被查詢的主機名字；（2）型別字段，指出有關該名字的正在被查詢的問題型別，例如是查詢a記錄還是mx記錄

回答區域包含了對最初請求的名字的資源記錄。即前文所述的四元組（name,value,type,ttl）。在回答報文中可以包含多條rr，因此乙個主機能夠有多個ip位址。

權威區域包含了其他權威伺服器的記錄。

附加區域包含了其他有幫助的記錄。例如，對於乙個mx請求的回答報文的回答區域包含了一條rr，該記錄提供了郵件伺服器的規範主機名。該附加區域包含乙個型別a記錄，該記錄提供了郵件伺服器的規範主機名的ip位址。

下圖是乙個dns查詢報文和回答報文的實際例子，通過wireshark抓包：

查詢報文：

回答報文：

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