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為什么要有DNS

如果我們想要訪問某度，你可以在瀏覽器上的搜索欄里輸入112.80.248.76這個IP地址，直達頁面。

通過IP訪問網頁

這樣的行為，合法，但有病 。

大部分人，連自己對象的電話號碼都記不住，又怎么可能記得住這么一串IP地址呢。

哦，不好意思，傷害到兄弟們了，你們沒對象。

但我假設你們有。

回想一下，雖然你記不住對象的電話號碼，但卻不影響你給她打電話。你的操作過程是不是打開通訊錄 ，輸入"富婆"，然后就彈出一個電話號碼。點擊即撥打。

在計算機領域，你大概率也記不住IP，所以也需要有類似的通訊錄的功能 。比如，你只需要輸入www.baidu.com，它就能幫你找到對應的 112.80.248.76，然后進行訪問。

用域名訪問

其中www.baidu.com 是域名，通過這個域名可以獲得它背后的IP是112.80.248.76。

就像一個人可以有多個電話號碼一樣，一個域名也可以對應有多個IP地址。

而將域名解析為IP的過程，也就是查"通訊錄"的過程 ，其實就是DNS （D omain N ame S ystem，域名系統(tǒng)）協(xié)議需要做的事情。

另外需要注意的是，上面的這個IP地址，我寫這篇文章的時候能訪問，不代表大家看文章的時候能訪問。因為這背后的IP地址是有可能變更的?？梢酝ㄟ^使用 ping www.baidu.com獲得最新的IP地址。

ping獲得IP

但問題就來了。

普通人的通訊錄，一般有一千個電話號碼就算是社交小達人 了，放在通訊錄里綽綽有余。

然而網站域名，卻不一樣，據說2015年的時候就已經超過3億了。

如果將這3億條記錄都放在一個服務器里，會有兩個問題 。

? 超過3億條域名數據，數據量過大 ，并且數據量持續(xù)增加

? 需要承受大量的讀請求 。每個網站域名都可能會有成千的訪問。這加起來，四舍五入也有千億qps了。

顯然，如果將DNS做成類似手機通訊錄這樣的單點服務，那是不可能實現這樣的能力的，必須得是分布式系統(tǒng) 。

于是，問題就變成了，如何設計一個支持千億+qps請求的大型分布式系統(tǒng) 。

我知道肯定有人要說："這是服務只有10qps的人該考慮的事情嗎？"

雖然我們做的服務可能只有10qps，但這并不妨礙我們學習DNS里優(yōu)秀的設計。

我們就從URL的層次結構聊起。

URL的層次結構

舉個例子。一個常見的域名，比如 www.baidu.com。

可以看到，這個域名中間用了兩個句點 。通過句點符號，可以將域名分為三部分。

其中com被稱為一級域 或頂級域 ，其他常見的頂級域還有cn，co等，baidu是二級域 ，www則是三級域 。

除此之后，在com后面，其實還有一個被省略掉的句點號 。它叫根域。

域名的層次結構

當域名多起來了之后，將它們相同的部分抽取出來，多個域名就可以變成這樣的樹狀層級結構 。

層次結構

這時候我們就可以看到，這些域之間其實是一種層級關系 ，就像是學校，年級，班級那樣。

當你想要去定位一個具體域名的時候，你就可以通過這樣的層級找到對應的域名。

舉個例子。大家應該還記得那句廣告詞，"三年級2班的李小明同學，你媽媽拿了兩罐旺仔牛奶給你"，其實李小明的媽媽，就是通過，學校、年級、班級的層級形式，一層層找到人。

DNS的原理

我們重新回來看下大佬們是怎么設計DNS。

先直接說最重要的結論。

? 利用層級結構去拆分服務

? 加入多級緩存

接下來展開。

利用URL層級結構去拆分服務

DNS承載的流量壓力非常大，必須要做成分布式服務 ，于是問題的關鍵就變成了如何拆分服務 。

既然URL是樹狀的層級結構，那保存它們的服務，也可以依據這個，非常自然的拆成樹狀的形式。

一臺服務器維護一個或多個域的信息。于是服務就變成了下面這樣的層級形式。

當我們需要訪問www.baidu.com。

查詢過程就跟下圖一樣。

DNS查詢過程

請求會先打到最近的DNS服務器（比如你家的家用路由器）中，如果在DNS服務器中找不到，則DNS服務器會直接詢問根域服務器，在根域服務器中雖然沒有www.baidu.com這條記錄的，但它可以知道這個URL屬于com域，于是就找到com域服務器的IP地址，然后訪問com域服務器，重復上面的操作，再找到放了baidu域的服務器是哪個，繼續(xù)往下，直到找到www.baidu.com的那條記錄，最后返回對應的IP地址。

可以看到，原理比較簡單，但這里涉及到兩個問題。

? 本機怎么知道最近的DNS服務器IP是什么？

? 最近的DNS服務器怎么知道根域的IP是多少？

我們一個個來回答。

本機怎么知道最近的DNS服務器的IP是什么？

這個在之前寫過的《剛插上網線，電腦怎么知道自己的IP是什么？》提到過，插上網線時，機子會通過DHCP協(xié)議獲得本機的IP地址，子網掩碼，路由器地址，以及DNS服務器的IP地址 。

DHCP協(xié)議

下面是我的mac機子，第二階段DHCP Offer中的抓包截圖?？梢钥吹剑@里面返回的信息里包含了DNS服務器的IP 。

offer階段

同時也可以在左上角的點左上角的蘋果圖標->系統(tǒng)表偏好設置->網絡->高級->DNS中查看到DNS服務器的IP地址。

這里有個小細節(jié)，從上面的抓包圖里可以看到路由器地址和DNS服務器地址，以及DHCP服務器地址 ，其實都是192.168.31.1，這個其實是我這邊的家用路由器 的IP地址，也就是說一般家用路由器自帶這幾個功能。

而在某里云服務器里，DNS服務器也是一樣，是通過dhcp協(xié)議獲得。查看DNS服務器的IP地址也很方便，執(zhí)行cat /etc/resolv.conf就好了。

這上面的nameserver中，可以看出有兩臺DNS服務器，機子會按照文件中出現的順序來發(fā)起請求，如果第一臺服務器沒反應，就會去請求第二臺。

最近的DNS服務器怎么知道根域的IP是多少？

我們也知道根域，就是域名樹的頂層，既然是頂層，那信息一般也就相對少一些。對應的IPV4地址只有13個，IPV6地址只有25個。

我們可以通過dig命令的+trace選項來查看一個域名的dns解析過程。

而前面提到的傳說中的13個根域，從字母a-m，就都在上圖中。

但這又引發(fā)了一個問題，上面看到的都是域名。

這。。。

"我本來是想通過域名去找IP的，你又讓我去找其他域名的IP？"

聽起來不科學，這不就死循環(huán) 了嗎。

是的，所以這些根域名對應的IP會以配置文件的形式，放在每個域名服務器中。

也就是說并不需要再去請求根域名對應的IP ，直接在配置里能讀出來就好了。

下面這個截圖是域名服務器里的配置內容。

可以看到A開頭的根域，它的IPV4地址是198.41.0.4。

加入多級緩存

對于高并發(fā)讀多寫少的場景，加入緩存幾乎就是標配。

DNS也不例外，它加了緩存，而且不止一層。

從在瀏覽器的搜索框中輸入URL。它會先后訪問瀏覽器緩存 、操作系統(tǒng)的緩存 /etc/hosts、最近的DNS服務器緩存 。如果都找不到，才是到根域，頂級（一級）域，二級域等DNS服務器進行查詢請求。

加入緩存后的DNS查詢順序

于是請求過程就成了下圖這樣?？梢钥吹缴厦嫣岬降暮脦子芯彺娴牡胤轿叶技恿藗€綠色的小文件圖標，優(yōu)先在緩存里做查詢。

加入緩存后的DNS查詢過程

由于緩存了上面樹狀結構的信息，最近的DNS服務器也不再需要每次都從根域開始查起。比如在緩存里能找到baidu.com的服務器IP，就直接跳到二級域服務器上做查找就好了。

正因為多級緩存的存在，每一層實際接收到的請求都大大減少了。并且每個人日常訪問的網站也就那么幾個，所以大部分時候都能命中緩存直接返回IP地址。

簡單小結下。

DNS的設計中，通過層次結構將服務進行拆分 ，流量分散到多個服務器中。

又通過加入多級緩存 ，讓每個層級實際接收到的請求大大減少，因此大大提高了系統(tǒng)的性能。

這兩點，是我們做業(yè)務開發(fā)的過程中可以參考的優(yōu)秀設計。

但還有一點 ，是我們大概率學不來的，叫任播，它也為DNS實現高并發(fā)處理能力提供了重要支持，我會把它放到放到下一篇文章展開聊聊。

協(xié)議格式

DNS是個域名解析系統(tǒng)，而運行在這套系統(tǒng)上的協(xié)議，就叫DNS協(xié)議 。

和HTTP類似，DNS協(xié)議也是個應用層協(xié)議 。

DNS是應用層協(xié)議

下圖是它的報文格式。

DNS報文

字段太多，很暈？這就對了。

我們就挑幾個重點的說說。

Transsaction ID 是事務ID，對于一次請求和這個請求對應的應答，他們的事務ID是一樣的，類似于微服務系統(tǒng)中的log_id。

flag字段 是指標志位，有2個Byte，16個bit，需要關注的是QR，OpCode, RCode。

? QR 用來標志這是個查詢還是響應報文，0是查詢，1是響應。

? OpCode 用來標志操作碼，正常查詢都是0，不管是域名查ip，還是ip查域名，都屬于正常查詢 ?？梢源直┑恼J為我們平時只會看到0。

? RCode 是響應碼，類似于HTTP里的404, 502 這樣的status code。用來表示這次請求的結果是否正常。0是指一切正常。1是指報文格式錯誤，2服務域名服務器內部錯誤。

Queries 字段，是指你實際查詢的內容。這里其實包含三部分信息，Name, Type, Class。

查詢的內容分成三部分信息

? Name 可以放域名或者IP。比如你要查的是baidu.com這個域名對應的IP，那里面放的就是域名，反過來通過IP查對應的域名，那Name字段里放的就是IP 。

? Type 是指你想查哪種信息，比如你想查這個域名對應的IP地址是什么，那就是填A（address），如果你想查這個域名有沒有其他別名，就填CNAME（Canonical Name）。如果你想查 xiaobaidebug@gmail.com對應的郵箱服務器地址是什么（比如 gmail.com），那就填MX（Mail Exchanger）。除此之外還有很多類型，下面是常見的Type表格。

? Class字段就比較有意思了，你可以簡單的認為，我們只會看到它填IN （Internet）。其實DNS協(xié)議本來設計出來是考慮到可能會有更多的應用場景的，比如這里還能填CH，HS。大家甚至都不需要知道它們是什么含義，因為隨著時間的發(fā)展，這些都已經成化石了，我們知道這個字段的唯一作用，可能就是可以在面試的時候可以隨意裝個x，深藏功與名。