DNS 是互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議之一。不管是上網(wǎng)瀏覽，還是編程開發(fā)，都需要了解一點它的知識。
本文詳細介紹DNS的原理，以及如何運用工具軟件觀察它的運作。我的目標是，讀完此文后，你就能完全理解DNS。
一、DNS 是什么？
DNS （Domain Name System 的縮寫）的作用非常簡單，就是根據(jù)域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的電話本。
舉例來說，如果你要訪問域名math.stackexchange.com，首先要通過DNS查出它的IP地址是151.101.129.69。
如果你不清楚為什么一定要查出IP地址，才能進行網(wǎng)絡通信，建議先閱讀我寫的《互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議入門》。
二、查詢過程
雖然只需要返回一個IP地址，但是DNS的查詢過程非常復雜，分成多個步驟。
工具軟件dig可以顯示整個查詢過程。
$ dig math.stackexchange.com
上面的命令會輸出六段信息。
第一段是查詢參數(shù)和統(tǒng)計。
第二段是查詢內(nèi)容。
上面結(jié)果表示，查詢域名math.stackexchange.com的A記錄，A是address的縮寫。
第三段是DNS服務器的答復。
上面結(jié)果顯示，math.stackexchange.com有四個A記錄，即四個IP地址。600是TTL值（Time to live 的縮寫），表示緩存時間，即600秒之內(nèi)不用重新查詢。
第四段顯示stackexchange.com的NS記錄（Name Server的縮寫），即哪些服務器負責管理stackexchange.com的DNS記錄。
上面結(jié)果顯示stackexchange.com共有四條NS記錄，即四個域名服務器，向其中任一臺查詢就能知道m(xù)ath.stackexchange.com的IP地址是什么。
第五段是上面四個域名服務器的IP地址，這是隨著前一段一起返回的。
第六段是DNS服務器的一些傳輸信息。
上面結(jié)果顯示，本機的DNS服務器是192.168.1.253，查詢端口是53（DNS服務器的默認端口），以及回應長度是305字節(jié)。
如果不想看到這么多內(nèi)容，可以使用+short參數(shù)。
$ dig +short math.stackexchange.com
151.101.129.69
151.101.65.69
151.101.193.69
151.101.1.69
上面命令只返回math.stackexchange.com對應的4個IP地址（即A記錄）。
三、DNS服務器
下面我們根據(jù)前面這個例子，一步步還原，本機到底怎么得到域名math.stackexchange.com的IP地址。
首先，本機一定要知道DNS服務器的IP地址，否則上不了網(wǎng)。通過DNS服務器，才能知道某個域名的IP地址到底是什么。
DNS服務器的IP地址，有可能是動態(tài)的，每次上網(wǎng)時由網(wǎng)關分配，這叫做DHCP機制；也有可能是事先指定的固定地址。linux系統(tǒng)里面，DNS服務器的IP地址保存在/etc/resolv.conf文件。
上例的DNS服務器是192.168.1.253，這是一個內(nèi)網(wǎng)地址。有一些公網(wǎng)的DNS服務器，也可以使用，其中最有名的就是Google的8.8.8.8和Level 3的4.2.2.2。
本機只向自己的DNS服務器查詢，dig命令有一個@參數(shù)，顯示向其他DNS服務器查詢的結(jié)果。
$ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com
上面命令指定向DNS服務器4.2.2.2查詢。
四、域名的層級
DNS服務器怎么會知道每個域名的IP地址呢？答案是分級查詢。
請仔細看前面的例子，每個域名的尾部都多了一個點。
比如，域名math.stackexchange.com顯示為math.stackexchange.com.。這不是疏忽，而是所有域名的尾部，實際上都有一個根域名。
舉例來說，www.example.com真正的域名是www.example.com.root，簡寫為www.example.com.。因為，根域名.root對于所有域名都是一樣的，所以平時是省略的。
根域名的下一級，叫做"頂級域名"（top-level domain，縮寫為TLD），比如.com、.net；再下一級叫做"次級域名"（second-level domain，縮寫為SLD），比如www.example.com里面的.example，這一級域名是用戶可以注冊的；再下一級是主機名（host），比如www.example.com里面的www，又稱為"三級域名"，這是用戶在自己的域里面為服務器分配的名稱，是用戶可以任意分配的。
總結(jié)一下，域名的層級結(jié)構(gòu)如下。
主機名.次級域名.頂級域名.根域名
# 即
host.sld.tld.root
五、根域名服務器
DNS服務器根據(jù)域名的層級，進行分級查詢。
需要明確的是，每一級域名都有自己的NS記錄，NS記錄指向該級域名的域名服務器。這些服務器知道下一級域名的各種記錄。
所謂"分級查詢"，就是從根域名開始，依次查詢每一級域名的NS記錄，直到查到最終的IP地址，過程大致如下。
- 從"根域名服務器"查到"頂級域名服務器"的NS記錄和A記錄（IP地址）
- 從"頂級域名服務器"查到"次級域名服務器"的NS記錄和A記錄（IP地址）
- 從"次級域名服務器"查出"主機名"的IP地址
仔細看上面的過程，你可能發(fā)現(xiàn)了，沒有提到DNS服務器怎么知道"根域名服務器"的IP地址。回答是"根域名服務器"的NS記錄和IP地址一般是不會變化的，所以內(nèi)置在DNS服務器里面。
下面是內(nèi)置的根域名服務器IP地址的一個例子。
上面列表中，列出了根域名（.root）的三條NS記錄A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET和C.ROOT-SERVERS.NET，以及它們的IP地址（即A記錄）198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。
另外，可以看到所有記錄的TTL值是3600000秒，相當于1000小時。也就是說，每1000小時才查詢一次根域名服務器的列表。
目前，世界上一共有十三組根域名服務器，從A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。
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