计算机网络之DNS总结

DNS是现代因特网使用的命名系统，url转换为IP地址的操作就是通过DNS完成的；本文主要总结DNS的基础知识部分。

I、上帝视角看域名

1.1 点分十进制与网络字节序

1、 IP地址是固定的32位网络字节序（IPV4， IPV6为128位），用十六进制表示起来比较困难，于是经常采用我们看到的点分十进制方式表示，这就需要进行网络字节序与点分十进制之间的转化：

#include<arpa/inet.h>

//将cp指向的点分十进制转化为无符号长整型，存储在int指针中，成功返回1，出错返回0
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);  

//将无符号整型IP地址转化为点分十进制
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

1.2 主机字节序与网络字节序

主机字节序是由CPU决定的，网络字节序为统一规定。这两种字节序可能会有不同的存储方式，分别为大端模式与小端模式：

1、大端模式与小端模式
大端模式（BG）：高地址为低位，低地址为高位；
小端模式（LG）正好相反，高地址为高位，低地址为低位。
如：对于地址0x012345678
Big-Endian: 低地址存放高位，如下：
高地址
---------------
buf[3] (0x78) -- 低位
buf[2] (0x56)
buf[1] (0x34)
buf[0] (0x12) -- 高位
---------------
低地址
Little-Endian: 低地址存放低位，如下：
高地址
---------------
buf[3] (0x12) -- 高位
buf[2] (0x34)
buf[1] (0x56)
buf[0] (0x78) -- 低位
--------------
低地址

2、大小端模式的转化
对于Intel类型的CPU采用的是小端对齐模式，而网络字节序规定采用大端对齐模式，于是在编程过程中就可能需要对大小端模式进行转化：

#include<netinet/in.h>

//将32位长整型主机字节序转化为网络字节序
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);

//将16位短整型主机字节序转化为网络字节序
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);

//将32为网络字节序转化为主机字节序
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);

//将16为网络字节序转化为主机字节序
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);

1.3 url与IP地址

url是为了方便记忆而产生的域名系统，其通过DNS进行转化，接下来就说明DNS的转化过程。

II、因特网域名结构

因特网采用层次树状结构的命名方法。

因特网的域名空间

III、DNS查询过程

3.1、DNS域名服务器分布

DNS被设计成了一个联机分布式数据库系统，域名到IP地址的解析是由分布在因特网上的许多域名服务器程序共同完成的。
因特网以“区”为单位确定DNS服务器的管辖范围：

DNS域名服务器分布

如上图所示，给出了DNS域名服务器树状结构图。这种DNS域名服务器树状结构图可以准确的反应DNS分布式结构。其中的每个域名服务器都能够进行部分域名到IP地址的解析。当某个DNS服务器不能进行解析请求时，就设法找因特网上别的域名服务器进行解析。

3.2 域名服务器

1、根域名服务器：是最高层次的域名服务器，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（对应上图）。
如果本地域名服务器自己无法完成解析，就首先求助于根域名服务器（因特网上一共有13个不同的根域名服务器）。

2、顶级域名服务器：负责管理在该顶级域名服务器注册的二级域名。当收到DNS查询请求时，就给出相应回答。

3、权限域名服务器：负责一个“区”，当一个权限域名服务器不能给出查询回答时，会告诉查询客户，下一步应当找那一个权限域名服务器。

4、本地域名服务器：本地域名服务器不在上图的域名服务器层次结构中，但是非常重要。
当一个主机发出DNS请求时，这个查询请求报文就发送给了本地域名服务器。

3.3 域名解析过程

解析过程包括递归查询与迭代查询两种形式。

1、主机向本地域名服务器的查询采用递归查询：所谓递归查询就是，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，则本地域名服务器以DNS客户的身份，向其他根域名服务器继续发送查询报文，而不是让主机自己进行下一步查询。

2、本地域名服务器向根域名服务器的查询通常采用迭代查询：迭代查询的特点是当根域名服务器收到本地域名服务器发出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下一步需要查询的域名服务器。然后让本地域名服务器自己进行后续查询。

以上两种查询方式的对比如下图：

3.4 域名解析实例

上图中的(a)为实际查询过程中常用的方式，我们以它为例说明：
1、m.xyz.com主机向本地域名服务器(dns.xyz.com)发起递归查询；
2、本地域名服务器无法完成查询要求，所以向根域名服务器求助，这是采用迭代查询；
3、跟域名服务器将下一次要查询的IP地址返回给本地域名服务器；
4、本地域名服务器根据返回的IP地址找到顶级域名服务器(dns.com)；
5、顶级域名服务器将下一次查询的IP返回给本地域名服务器；
6、本地域名服务器根据返回的IP对权限域名服务器(dns.abc.com)进行查询；
7、权限域名服务器将成功查询的IP地址回复给本地域名服务器；
8、本地域名服务器传回给主机。

IV、DNS补充内容

1、DNS在以上查询过程中由于数据量小，使用UDP协议传输，以达到DNS服务器负载更低，响应更快的效果。

2、主域名服务器与辅助域名服务器
为了提高域名服务器的可靠性，DNS域名服务器把数据复制到几个域名服务器来保存，其中一个为主域名服务器，其他的是辅助域名服务器。
主域名服务器与辅助域名服务器要完成复制信息，同步等操作采用TCP协议传输，这样一是保证数据的可靠性，二是要进行的同步操作比请求应答的数量大得多，所以需要采用报文更大的TCP操作。

【参考】
[1] 《计算机网络》
[2] 《深入理解计算机系统》

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