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DNS系统架构

发表于 专题于 Disqus：

本文介绍DNS系统，结合自己设计一个DNS系统视角有助于理解。

一、DNS系统部件

DNS系统本质就是一个C/S架构系统，包含3种部件：“DNS客户端”、“权威DNS服务器”和“功能性DNS服务器”。

在实际实现中，一个部件可能兼有多种上述部件功能，比如：

  • “权威DNS服务器”如果作为从DNS服务器，从主DNS服务器同步数据时，此时兼有“DNS客户端”部件功能
  • “功能性DNS服务器”需要请求其他DNS服务器，此时兼有“DNS客户端”部件功能
  • “一个自搭建DNS服务器”兼有“权威DNS服务器”和“功能性DNS服务器”部件功能，比如企业内部自搭建DNS服务器——既作为“权威DNS服务器”提供企业内部域名DNS解析服务，又作为“功能性DNS服务器”提供外部域名DNS解析服务

1.1、DNS客户端

英文名：DNS Client。

不同DNS客户端支持的DNS解析相关功能可以不尽相同，比如“只需请求递归DNS服务器的DNS客户端可以不支持迭代查询功能”。

1.2、权威DNS服务器

英文名：Authoritative Name Server，简称NS。

核心用途：给出域名最终IP地址或者次级域权威DNS服务器域名和IP地址。

域名/IP地址来源和工作原理：

  1. 其域名和IP地址由上级域权威DNS服务器或者DNS客户端配置给出
  2. 加载ZONE文件提供解析服务，示例见下
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baidu.com.     518400  IN      A       111.63.65.103
mail.baidu.com.     518400  IN      A       14.215.178.81
img.baidu.com.     518400  IN      A       180.76.76.93
blog.baidu.com.     518400  IN      A       180.76.76.93

权威DNS服务器中的“根DNS服务器”和“顶级域DNS服务器”常被单独叙述，所以可有“狭义权威DNS服务器”和“广义权威DNS服务器（狭义权威DNS服务器、根DNS服务器、顶级域DNS服务器）”之分，后续遇到根据上下文进行区分——一般为“广义”，当存在“根DNS服务器”，“顶级域DNS服务器”与之相对时，则为“狭义”。

1.2.1、根DNS服务器

英文名：Root Name Server，简称Root Server。

核心用途：给出顶级域DNS服务器域名和IP地址。

域名/IP地址来源和工作原理：

  1. 作为一次DNS迭代查询（DNS迭代查询是一切DNS查询的根本起点，DNS迭代查询的概念详见“2.1、最简单核心架构”）的起点，其域名和IP信息全球公共可见，详见“根DNS服务器域名和IP”，这些信息极度稳定：
    • DNS客户端在配置文件固化以上根DNS服务器IP
    • 根DNS服务器的域名（[a-l].root-servers.net）主要用作标识，但为了DNS系统的完备性，支持对根DNS服务器域名进行DNS解析，具体过程见下一小节
  2. 加载ZONE文件提供解析服务，根DNS服务器ZONE文件详见“根DNS服务器root.zone文件”，下面截取部分内容用以说明

根DNS服务器ZONE文件部分内容：

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# com顶级域DNS服务器域名
com.                    172800  IN      NS      a.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      b.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      c.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      d.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      e.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      f.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      g.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      h.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      i.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      j.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      k.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      l.gtld-servers.net.
com.                    172800  IN      NS      m.gtld-servers.net.


# net顶级域DNS服务器域名
net.                    172800  IN      NS      a.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      b.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      c.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      d.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      e.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      f.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      g.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      h.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      i.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      j.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      k.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      l.gtld-servers.net.
net.                    172800  IN      NS      m.gtld-servers.net.


# com和net顶级域DNS服务器IP地址
a.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.5.6.30
a.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:a83e:0:0:0:2:30
b.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.33.14.30
b.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:231d:0:0:0:2:30
c.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.26.92.30
c.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:83eb:0:0:0:0:30
d.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.31.80.30
d.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:500:856e:0:0:0:0:30
e.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.12.94.30
e.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:502:1ca1:0:0:0:0:30
f.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.35.51.30
f.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:d414:0:0:0:0:30
g.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.42.93.30
g.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:eea3:0:0:0:0:30
h.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.54.112.30
h.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:502:8cc:0:0:0:0:30
i.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.43.172.30
i.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:39c1:0:0:0:0:30
j.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.48.79.30
j.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:502:7094:0:0:0:0:30
k.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.52.178.30
k.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:503:d2d:0:0:0:0:30
l.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.41.162.30
l.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:500:d937:0:0:0:0:30
m.gtld-servers.net.     172800  IN      A       192.55.83.30
m.gtld-servers.net.     172800  IN      AAAA    2001:501:b1f9:0:0:0:0:30


# 根DNS服务器域名对应的IP地址（此时作为root-servers.net二级域名的权威DNS服务器）
a.root-servers.net.     518400  IN      A       198.41.0.4
a.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:503:ba3e:0:0:0:2:30
b.root-servers.net.     518400  IN      A       170.247.170.2
b.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2801:1b8:10:0:0:0:0:b
c.root-servers.net.     518400  IN      A       192.33.4.12
c.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:2:0:0:0:0:c
d.root-servers.net.     518400  IN      A       199.7.91.13
d.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:2d:0:0:0:0:d
e.root-servers.net.     518400  IN      A       192.203.230.10
e.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:a8:0:0:0:0:e
f.root-servers.net.     518400  IN      A       192.5.5.241
f.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:2f:0:0:0:0:f
g.root-servers.net.     518400  IN      A       192.112.36.4
g.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:12:0:0:0:0:d0d
h.root-servers.net.     518400  IN      A       198.97.190.53
h.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:1:0:0:0:0:53
i.root-servers.net.     518400  IN      A       192.36.148.17
i.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:7fe:0:0:0:0:0:53
j.root-servers.net.     518400  IN      A       192.58.128.30
j.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:503:c27:0:0:0:2:30
k.root-servers.net.     518400  IN      A       193.0.14.129
k.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:7fd:0:0:0:0:0:1
l.root-servers.net.     518400  IN      A       199.7.83.42
l.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:500:9f:0:0:0:0:42
m.root-servers.net.     518400  IN      A       202.12.27.33
m.root-servers.net.     518400  IN      AAAA    2001:dc3:0:0:0:0:0:35

另外在实际中，根DNS服务器又作为root-servers.net二级域名的权威DNS服务器”，给出相应域名的IP地址：根DNS服务器的域名（[a-l].root-servers.net）主要用作标识，但为了DNS系统的完备性，支持对根DNS服务器域名进行DNS解析，具体过程跟一般的域名解析过程无异，即：根DNS服务器 -> net顶级域DNS服务器 -> 根DNS服务器（此时作为root-servers.net二级域名的权威DNS服务器）。

域名/IP地址来源和工作原理：

  1. 其域名和IP地址由net顶级域DNS服务器给出
  2. 加载ZONE文件提供解析服务，参见上面的“根DNS服务器ZONE文件部分内容”

1.2.2、顶级域DNS服务器

英文名：Top-Level Domain Name Server，简称TLD Server。

核心用途：给出二级域权威DNS服务器的域名和IP地址。

域名/IP地址来源和工作原理：

  1. 其域名和IP地址由根DNS服务器给出
  2. 加载ZONE文件提供解析服务，示例见下
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baidu.com.              86310   IN      NS      ns4.baidu.com.
baidu.com.              86310   IN      NS      ns7.baidu.com.
baidu.com.              86310   IN      NS      ns2.baidu.com.
baidu.com.              86310   IN      NS      ns3.baidu.com.
baidu.com.              86310   IN      NS      dns.baidu.com.


ns4.baidu.com.     518400  IN      A       14.215.178.80
ns7.baidu.com.     518400  IN      A       180.76.76.92
ns2.baidu.com.     518400  IN      A       220.181.33.31 
ns3.baidu.com.     518400  IN      A       153.3.238.93 
dns.baidu.com.     518400  IN      A       110.242.68.134

1.3、功能性DNS服务器

功能性DNS服务器主要有两类：“递归DNS服务器”和“转发DNS服务器”。

1.3.1、递归DNS服务器

英文名：Recursive DNS Server。

两个核心用途：

  1. 代理完成DNS迭代查询过程，请求递归DNS服务器的DNS客户端可精简相应功能
  2. 对DNS解析结果进行缓存：既优化性能，又能降低对上级DNS服务器（比如“根DNS服务器”、“顶级域DNS服务器”和“权威DNS服务器”等）的负载

域名/IP地址来源和工作原理：

  1. 一般不存在域名，DNS客户端直接显式配置IP，比如：
    • 企业自搭的递归DNS服务器10.110.10.20
    • 大型机构提供的公共DNS服务器（本质就是递归DNS服务器）：1）谷歌-8.8.8.8和8.8.4.4；2）阿里巴巴-223.5.5.5和223.6.6.6
  2. 自身不存在ZONE文件，代理完成DNS迭代查询过程，对DNS解析过程进行缓存

1.3.2、转发DNS服务器

英文名：Forwarding DNS Server。

两个核心用途：

  1. 转发DNS查询给所配置DNS服务器（可以转发到根DNS服务器、顶级域DNS服务器、权威DNS服务器和功能性DNS服务器，一般是转发到递归DNS服务器），返回所获得的DNS查询结果
  2. 对DNS解析结果进行缓存：既优化性能，又能降低对所配置DNS服务器的负载

域名/IP地址来源和工作原理：

  1. 一般不存在域名，DNS客户端直接显式配置IP，比如：
    • 企业自搭的转发DNS服务器10.110.10.21
    • 家庭网络路由器提供的转发DNS服务器192.168.1.20
  2. 自身不存在ZONE文件，转发DNS查询/返回所获得的DNS查询结果，对DNS解析过程进行缓存

二、架构

2.1、最简单核心架构

完成一次DNS迭代查询过程的架构是最简单核心架构，如下图所示。

一点说明：架构中DNS服务器实际中一般采用集群形式，以达成“高可用”和“负载均衡”目标，常采用Anycast和主副技术作为集群化方案，比如“对于根DNS服务器：a.root-servers.net是全球13组根DNS服务器中的主根DNS服务器，其他12组根DNS服务器是副根DNS服务器，副根DNS服务器通过区域传送技术定时从主根DNS服务器同步最新数据；而每组根DNS服务器又采用Anycast技术，即每个根DNS服务器IP实际对应多台服务器”。

2.2、现实复杂架构

在最简单核心架构基础上添加功能性DNS服务器可组成现实复杂架构，如下图所示。

一点说明：图架构中的“转发DNS服务器”和“递归DNS服务器”位置和数量只是用于说明，实际架构中“转发DNS服务器”和“递归DNS服务器”的位置和数量可以有更多变化，比如“在根DNS服务器、顶级域DNS服务器、权威DNS服务器之前架设转发DNS服务器”，“架设串联的一前一后两个递归DNS服务器”等。


参考文献

[1]https://www.iana.org/domains/root/servers
[2]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B9%E7%B6%B2%E5%9F%9F%E5%90%8D%E7%A8%B1%E4%BC%BA%E6%9C%8D%E5%99%A8
[3]https://root-servers.org/
[4]https://www.internic.net/domain/root.zone
[5]https://www.iana.org/domains/root/files
[6]https://stackoverflow.com/questions/21836103/how-dns-resolve-root-servers-net

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