DNS 域名解析系统

DNS 域名解析系统（Domain Name System） 是进行域名（domain name）和与之相对应的 IP 地址（IP address）转换的服务器。DNS 中保存了一张域名（domain name）和与之相对应的 IP 地址（IP address）的表，以解析消息的域名。

使用 IP 地址而非使用域名进行通信的原因：

• IP 地址是固定长度，IPv4 是 32 位，IPv6 是 128 位，而域名是变长的，不便于计算机处理
• IP 地址对于用户来说不方便记忆，但域名便于用户使用

简单来说就是 IP 面向主机，域名面向用户。

域名的分层结构

由于因特网的用户数量较多，所以因特网在命名时采用的是层次树状结构的命名方法。任何一个连接在因特网上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构的名字，即域名（domain name）。这里，域（domain）是名字空间中一个可被管理的划分。从语法上讲，每一个域名都是有标号（label）序列组成，而各标号之间用点（.）隔开。域名可以划分为各个子域，子域还可以继续划分为子域的子域，这样就形成了顶级域、主域名、子域名等。

域名系统必须要保持唯一性。

特点：

1. 每个域名都是一个标号序列，用字母（大小写等价）、数字（0-9）和连接符（-）组成
2. 标号序列总长度不能超过 255 个字符，它由各标点之间用 . 分割成一个个的标号
3. 每个标号应该在 63 个字符之内，每个标号都可以堪称一个层次的域名
4. 级别最低的域名写在左边，级别最高的域名写在右边

域名服务是基于 UDP 实现的，服务器的端口号为 53。

以 www.example.google.com 为例：

• .com：是顶级域名
• google.com：是主域名（也可称托管一级域名），主要指企业名
• example.google.com：是子域名（也可称为托管二级域名）
• www.example.google.com：是子域名的子域（也可称为托管三级域名）

域名可以划分为各个子域，子域还可以继续划分为子域的子域，这样就形成了顶级域、二级域、三级域等。

查询类型

递归查询

递归查询（Recursive）是一种 DNS 服务器的查询模式，在该模式下 DNS 服务器接收到客户机请求，必须使用一个准确的查询结果回复客户机。如果 DNS 服务器本地没有存储查询 DNS 信息，那么该服务器会询问其他服务器，并将返回的查询结果提交给客户机。所以，一般情况下服务器跟内网 DNS 或直接 DNS 之间都采用递归查询。

迭代查询

DNS 服务器另外一种查询方式为迭代查询，DNS 服务器会向客户机提供其他能够解析查询请求的 DNS 服务器地址，当客户机发送查询请求时，DNS 服务器并不直接回复查询结果，而是告诉客户机另一台 DNS 服务器地址，客户机再向这台 DNS 服务器提交请求，依次循环直到返回查询的结果。所以一般内网 DNS 和外网 DNS 之间的都采用迭代查询。

分层结构

域名是分层结构，域名 DNS 服务器也是对应的层级结构。有了域名结构，还需要有域名 DNS 服务器去解析域名，且是需要由遍及全世界的域名 DNS 服务器去解析，域名 DNS 服务器实际上就是装有域名系统的主机。域名解析过程涉及 4 个 DNS 服务器，分别如下：

每个层的域名上都有自己的域名服务器，最顶层的是根域名服务器

每一级域名服务器都知道下级域名服务器的 IP 地址，以便于一级一级向下查询

记录类型

在 DNS 系统中，最常见的资源记录方式是 Internet 类记录，该记录由包含 4 个字段的数据构成：Name、Value、Type、TTL。

其中 Name 和 Value 可以理解为一对键值对，但是其具体含义取决于 Type 的类型，TTL 记录了该条记录应当从缓存中删除的时间。

在资源记录的类型中中，最为常见且重要的类型 Type 主要有：

解析过程

DNS 是一种使用 UDP 协议进行域名查询的协议，其最主要的目标就是将域名转换为 IP 地址。

DNS 查询的结果通常会在本地域名服务器中进行缓存，如果本地域名服务器中有缓存的情况下，则会跳过如下 DNS 查询步骤，很快返回解析结果。下面的示例则概述了本地域名服务器没有缓存的情况下，DNS 查询所需的 8 个步骤：

1. 用户在 Web 浏览器中输入 www.taobao.com， 则由本地域名服务器开始进行递归查询。
2. 本地域名服务器采用 迭代查询 的方法，向根域名服务器进行查询 。
3. 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 .com TLD 的 IP 地址
4. 本地域名服务器向顶级域名服务器 .com TLD 进行查询
5. .com TLD 服务器告诉本地域名服务器，下一步查询 www.taobao.com 权威域名服务器的 IP 地址
6. 本地域名服务器向 www.taobao.com 权威域名服务器发送查询
7. www.taobao.com 权威域名服务器告诉本地域名服务器所查询的主机 IP 地址
8. 本地域名服务器最后把查询的 IP 地址响应给 Web 浏览器，一旦 DNS 查询的 8 个步骤返回了 www.taobao.com 的 IP 地址，浏览器就能够发出对网页的请求：
9. 浏览器向 IP 地址发出 HTTP 请求
10. 该 IP 处的 web 服务器返回要在浏览器中呈现的网页

详细解析：

以查询 www.taobao.com 对应的 IP 地址为例，操作系统首先会在本地尝试解析，比如使用众所周知的 hosts 文件，同时如果有解析缓存的话，操作系统也会去查询。如果是在浏览器中进行查询，浏览器自己有时也会有解析缓存。

• 用户设备
  • 浏览器可能会缓存域名解析
  • 用户系统中可以有自己的域名映射表
• 公共域名服务器
  • 通常由 ISP 提供
  • 缓存上一级域名服务器的结果

在查询没有结果时，设备最终会开始向域名服务器发起查询请求。公共域名服务器一般就是用户的 ISP 提供的。这种公共域名服务器通常会缓存查询结果，因此如果缓存命中，查询就可以到此结束。当然缓存本身是有时效的，这个时效就被称为 TTL。对于超过时效的查询结果，域名服务器有义务重新发起查询请求。但查询本身是非常消耗流量的事情，因此也有一些公共服务器不严格遵守 TTL，超时缓存。

未命名缓存的查询，公共服务器会向顶级域名服务器进行查询。以上述例子来说，因为公共域名服务器不知道 taobao.com 的解析权归谁，因此它会向顶级域名服务器——com 域名服务器发起请求，寻找 taobao.com 对应的域名服务器。顶级域名服务器一般是由域名经营机构来维护的，有些甚至归属国家机关管理，例如国别域名。理论上来说，在顶级域名服务器之上还有一个根域名服务器，不过在平时很难意识到它的存在。

• 公共域名服务器
  • DNS 级联的特性决定了中途可以有更多域名服务器
• 顶级域名服务器
  • 由顶级域名经营机构维护
  • 可细分为与国家、通用

在查找到 taobao.com 的域名服务器之后，就可以向域名服务器查询 www.taobao.com 的 IP 了。这个过程是由上到下指定下来的，所以这种域名服务器可以被称为权威域名服务器。对于开发者来说，我们自己平时在域名服务器那里购买到域名之后，录入自己域名对应的 IP，其实就是在向权威域名服务器录入信息。一些大型企业会自己维护权威域名服务器，这样既可以抵御一些针对性的攻击，同时也可以更好地优化解析的速度。

• 公共域名服务器
• 权威域名服务器
  • 通常由专业的域名服务机构提供
  • 购买域名时一般会提供

排查与优化

常见问题

• DNS 服务器本身有问题，响应慢并且不稳定
• 或者是，客户端到 DNS 服务器的网络延迟比较大
• 再或者，DNS 请求或者响应包，在某些情况下被链路中的网络设备弄丢了

故障排查顺序

1. 检查本地 hosts：cat /etc/hosts
2. 检查 resolv.conf 文件：cat /etc/resolv.conf。在 Redhat7 / Centos7 上修改 resolv.conf 里的 DNS 地址后，重启启网络服务发现 DNS 地址消失了，那么检查下网卡配置文件。
3. 检查网卡配置文件：cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-<网卡名称>，看下里头有没 DNS 配置信息，没有的话补上去。

常见优化技术

1. HttpDNS：客户端基于 HTTP 协议，向 CDN 服务商指定的 DNS 服务器发送域名解析请求，从而避免 LocalDNS 造成的域名劫持和跨网访问
2. Http 302 跳转：CDN 厂商维护 CDN 域名 IP 库，根据用户访问终端的 IP 和 CDN 边缘节点的状态，选择最合适的 CDN 节点，发出 HTTP 的 302 返回码，将用户的请求跳转到合适的 CDN 边缘节点。

常见优化方法

• 缓存：缓存是最有效的方法，但要注意，一旦缓存过期，还是要去 DNS 服务器重新获取新记录。不过，这对大部分应用程序来说都是可接受的。
• 预解析：这是浏览器等 Web 应用中最常用的方法，也就是说，不等用户点击页面上的超链接，浏览器就会在后台自动解析域名，并把结果缓存起来。
• HTTPDNS：使用 HTTPDNS 取代常规的 DNS 解析。这是很多移动应用会选择的方法，特别是如今域名劫持普遍存在，使用 HTTP 协议绕过链路中的 DNS 服务器，就可以避免域名劫持的问题。
• 全局负载均衡：基于 DNS 的全局负载均衡（GSLB）。这不仅为服务提供了负载均衡和高可用的功能，还可以根据用户的位置，返回距离最近的 IP 地址。
• 对于移动客户端，在 APP 启动时对需要解析的域名做预先解析，然后把解析的结果缓存到本地的一个 LRU 缓存里面。这样当我们要使用这个域名的时候，只需要从缓存中直接拿到所需要的 IP 地址就好了，如果缓存中不存在才会走整个 DNS 查询的过程。同时为了避免 DNS 解析结果的变更造成缓存内数据失效，我们可以启动一个定时器定期地更新缓存中的数据。

DNS 污染解决方案

一般是考虑尽可能自主控制 DNS 解析，比如使用专用 DNS 服务器，HTTPDNS，甚至是直接使用 IP 地址跳过解析

DNS 术语

DNS 缓存

DNS 缓存是将解析数据存储在靠近发起请求的客户端的位置，也可以说 DNS 数据是可以缓存在任意位置，最终目的是以此减少递归查询过程，可以更快的让用户获得请求结果。

TTL

英文全称 Time To Live ，这个值是告诉本地域名服务器，域名解析结果可缓存的最长时间，缓存时间到期后本地域名服务器则会删除该解析记录的数据，删除之后，如有用户请求域名，则会重新进行递归查询/迭代查询的过程。

DNS Query Flood Attack

指域名查询攻击，攻击方法是通过操纵大量傀儡机器，发送海量的域名查询请求，当每秒域名查询请求次数超过 DNS 服务器可承载的能力时，则会造成解析域名超时从而直接影响业务的可用性。

URL 转发

英文 Url Forwarding，也可称地址转向，它是通过服务器的特殊设置，将一个域名指向到另外一个已存在的站点

DNSSEC

域名系统安全扩展（DNS Security Extensions），简称 DNSSEC。它是通过数字签名来保证 DNS 应答报文的真实性和完整性，可有效防止 DNS 欺骗和缓存污染等攻击，能够保护用户不被重定向到非预期地址，从而提高用户对互联网的信任。

常用 DNS

• 114 DNS：114.114.114.114 或 114.114.115.115
• 阿里 DNS：223.5.5.5 或 223.6.6.6
• 百度 DNS：180.76.76.76
• DNS 派：
  • 电信 101.226.4.6
  • 联通 123.125.81.6
  • 移动 101.226.4.6
  • 铁通 101.226.4.6
• OneDNS
  • 南方 112.124.47.27
  • 北方 114.215.126.16
  • 共用 42.236.82.22
• Google DNS：8.8.8.8 或 8.8.4.4
• OpenDNS：208.67.222.222 或 208.67.220.220
• 360 DNS：101.226.4.6 或 123.125.81.6

参考资料

• DNS（域名解析协议）详解
• 从输入 URL 到页面加载完成的过程中都发生了什么
• 前端性能：浅谈域名发散与域名收敛
• 域名收敛：前端优化
• DNS 解析过程与域名收敛、域名发散、SPDY 应用
• 解析生效测试方法
• 【性能优化】DNS 预解析