应用层：DNS 域名系统
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DNS 域名系统
功能与任务
域名系统 DNS(Domain Name System) 是互联网使用的命名系统，用于把便于大家使用的机器名字转换为 IP 地址。许多应用层软件经常直接使用 DNS，但计算机的用户只是间接而不是直接使用域名系统。 互联网采用层次结构的命名树作为主机的名字，并使用分布式的域名系统 DNS。DNS 是：
- 一个有分层的 DNS服务器实现的分布式数据库；
- 一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议。
采用客户服务器方式，使大多数名字都在本地进行解析。名字到 IP 地址的解析是由若干个域名服务器程序完成的，域名服务器程序在专设的结点上运行，运行该程序的机器称为域名服务器。当一个应用进程需要把主机名解析为 IP 地址是，该用户进程就调用解析程序，并成为 DNS 的一个客户，把待解析的域名放在 DNS 请求报文中，以 UDP 用户数据报的方式发给本地域名服务器。本地域名服务器查找域名后，把对应的 IP 地址放在回答报文中返回。若本地域名服务器不能回答该请求，则该本地域名服务器就暂时成为 DNS 中的另一个客户，并向其他域名服务器发出查询请求。
为什么是分布式？
DNS 的一种简单的设计是，在互联网中只使用一个 DNS 服务器，该服务器包含所有的映射，所有客户的查询都发往该服务器。现在来考虑下，为什么 DNS 不使用集中式设计而是使用分布式？原因主要有一下 4 点：
- 单点故障：如果该 DNS 服务器崩溃，则整个因特网都会因此瘫痪；
- 通信容量：单个 DNS 服务器不得不处理所有的 DNS 查询(数量级是上亿台主机)；
- 远距离的集中式数据库：单个 DNS 服务器不可能“邻近”所有的查询客户，会导致严重的时延；
- 维护：单个 DNS 服务器不得不为所有因特网主机保留记录，这使得数据库异常庞大，且需要频繁更新。
总而言之，单一的 DNS 服务器上运行集中式数据库，完全没有拓展能力。
域名结构
互联网采用了层次树状结构的命名方法，任何一个连接在互联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。域名的结构由标号序列组成，各标号之间用点隔开，各标号分别代表不同级别的域名，例如“mail.cctv.com”。
域名只是个逻辑概念，并不代表计算机所在的物理地点。变长的域名和使用有助记忆的字符串，是为了便于人来使用，而 IP 地址是定长的 32 位二进制数字则非常便于机器进行处理。域名中的“点”和点分十进制 IP 地址中的“点”并无一一对应的关系。点分十进制 IP 地址中一定是包含三个“点”，但每一个域名中“点”的数目则不一定正好是三个。
互联网域名空间结构可以抽象为一个树结构，最上面的根结点没有名字。根下面一级的结点就是顶级域名，顶级域名往下划分子域名，即二级域名，还可以继续往下划分。
域名服务器
一个服务器所负责管辖的（或有权限的）范围叫做区 (zone)，各单位根据具体情况来划分自己管辖范围的区，但在一个区中的所有节点必须是能够连通的。每一个区设置相应的权限域名服务器，用来保存该区中的所有主机的域名到 IP 地址的映射。DNS 服务器的管辖范围不是以“域”为单位，而是以“区”为单位。
当某个 DNS 服务器不能进行 IP 地址转换时，就设法找互联网上别的域名服务器进行解析。互联网上的 DNS 域名服务器也是按层次安排的，每一个域名服务器都只对域名体系中的一部分进行管辖。
DNS 域名服务器都把数据复制到几个域名服务器来保存，其中的一个是主域名服务器，其他的是辅助域名服务器。当主域名服务器出故障时，辅助域名服务器可以保证 DNS 的查询工作不会中断。主域名服务器定期把数据复制到辅助域名服务器中，而更改数据只能在主域名服务器中进行。这样就保证了数据的一致性。
根域名服务器
根域名服务器是最高层次的域名服务器，也是最重要的域名服务器。所有的根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名和 IP 地址。不管是哪一个本地域名服务器，若要对互联网上任何一个域名进行解析，只要自己无法解析，就首先求助于根域名服务器。在互联网上共有 13 个不同 IP 地址的根域名服务器，它们的名字是用一个英文字母命名，从 a 根域名服务器共有 13 套装置，不是 13 个机器。到 2016 年 2 月，全世界已经在 588 个地点安装了根域名服务器，使世界上大部分 DNS 域名服务器都能就近找到一个根域名服务器。
为了提供更可靠的服务，在每一个地点的根域名服务器往往由多台机器组成。根域名服务器并不直接把域名直接转换成 IP 地址，在使用迭代查询时，根域名服务器把下一步应当找的顶级域名服务器的 IP 地址告诉本地域名服务器。
顶级域名服务器
顶级域名服务器（即 TLD 服务器）负责管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名。当收到 DNS 查询请求时，就给出相应的回答（可能是最后的结果，也可能是下一步应当找的域名服务器的 IP 地址）。
权限域名服务器
权限域名服务器负责一个区的域名服务器。当一个权限域名服务器还不能给出最后的查询回答时，就会告诉发出查询请求的 DNS 客户，下一步应当找哪一个权限域名服务器。
本地域名服务器
当一个主机发出 DNS 查询请求时，这个查询请求报文就发送给本地域名服务器。每一个互联网服务提供者 ISP，或一个大学甚至大学里的系，都可以拥有一个本地域名服务器，这种域名服务器有时也称为默认域名服务器。
域名解析
递归查询
主机向本地域名服务器的查询，一般都是采用递归查询。如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的 IP 地址，那么本地域名服务器就以 DNS 客户的身份，向其他根域名服务器继续发出查询请求报文。
迭代查询
本地域名服务器向根域名服务器的查询，通常是采用迭代查询。当根域名服务器收到本地域名服务器的迭代查询请求报文时，要么给出所要查询的 IP 地址，要么告诉本地域名服务器：“你下一步应当向哪一个域名服务器进行查询”。然后让本地域名服务器进行后续的查询。
高速缓存
每个域名服务器都维护一个高速缓存，存放最近用过的名字以及从何处获得名字映射信息的记录。高速缓存可大大减轻根域名服务器的负荷，使互联网上的 DNS 查询请求和回答报文的数量大为减少。
为保持高速缓存中的内容正确，域名服务器应为每项内容设置计时器，并处理超过合理时间的项（例如，每个项目只存放两天）。当权限域名服务器回答一个查询请求时，在响应中都指明绑定有效存在的时间值。增加此时间值可减少网络开销，而减少此时间值可提高域名转换的准确性。
参考资料
《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社
《计算机网络 自顶向下方法》 [美] James F.Kurose,Keith W.Ross 著，陈鸣 译，机械工业出版社
