文章目录

25.1 名字空间
- 25.1.1 平面名字空间
- 25.1.2 层次名字空间
25.2 域名空间
- 25.2.1 标号
- 25.2.2 域名
- - 1. 全称域名
  - 2. 部分域名
- 25.2.3 域
25.3 名字空间的分布
- 25.3.1 名字服务器的层次结构
- 25.3.2 区域
- 25.3.3 根服务器
- 25.3.4 主服务器和辅助服务器
25.4 因特网中的DNS
- 25.4.1 通用域
- 25.4.2 国家域
- 25.4.3 反向域
25.5 解析
- 25.5.1 解析程序
- 25.5.2 名字到地址的映射
- 25.5.3 地址到名字的映射
- 25.5.4 递归解析
- 25.5.5 迭代解析
- 25.5.6 高速缓存
25.6 DNS报文
- 1. 头部
- 2. 查询部分
- 3. 响应部分
- 4. 授权部分
- 5. 附加消息部分
25.7 记录的类型
- 25.7.1 查询记录
- 25.7.2 资源记录
25.8 注册机构
25.9 动态域名系统 `DDNS`
25.10 封装

在因特网模型的应用层中，许多应用都遵循客户机/服务器模式。客户端/服务器应用程序可以分为两类：一种直接被用户使用，例如电子邮件；另一种是支持其他应用程序的应用程序，如域名系统 Domain Name System, DNS 就是一种支持程序，它被其他的应用程序使用，例如电子邮件。

图25.1举例说明了，DNS客户端/服务器程序如何支持「电子邮件程序找到电子邮件接收者的IP地址」。电子邮件程序的用户可以知道接收者的电子邮件地址，但是IP协议需要知道IP地址。DNS客户端程序就向DNS服务器发送查询请求，获取与电子邮件地址相对应的IP地址。

为了识别一个实体，TCP/IP协议使用IP地址，唯一地确定一台主机到因特网的连接。然而，人们更喜欢名字而不是数字地址，所以需要一种能够完成「名字到地址」或「地址到名字」的映射的系统。域名系统就用唯一的、用户友好的名字，标识因特网上的每一台主机。

在因特网发展初期，使用一个主机文件 host file 完成映射。主机文件只有两列：名字和地址。每台主机可以将主机文件存储在主机磁盘中（Windows 7/10/11系统中，主机文件在 C:\Windows\System32\drivers\etc 中），并以一个标准主机文件为依据，定期地进行更新。当程序或用户需要将某一名字映射到一个地址时（或相反），主机就查询主机文件并找到相应的映射。

但目前，不再可能用一个单独的主机文件，将每个地址与名字关联起来，反过来也是一样，主机文件会因为太大而无法存储在每一台主机中。另外，也不能每次在发生变化时，更新世界上所有的主机文件。

一种解决方案是将全部主机文件存储在一台单独的计算机中，允许每一台需要映射的计算机访问这个集中化的信息。但是，即使这样也会在因特网上产生非常大的通信量。

另一种解决方案也是目前所使用的，是将这种巨大的信息数据分割成许多更小的部分，并将每一部分存储在不同的计算机中。采用这种方式，需要映射的计算机可寻找到最近一台持有所需信息的计算机。域名系统就使用这种方法。

本章先讨论DNS的概念和信息，然后描述DNS协议本身。

下面是与DNS相关的RFC：

799, 811, 819, 830, 881, 882, 883, 897, 920, 921, 1034,
1035, 1386, 1480, 1535, 1536, 1537, 1591, 1637, 1664,
1706, 1712, 1713, 1982, 2065, 2137, 2317, 2535, 2671

有时间可以看一眼。

25.1 名字空间

为实现无二义性，分配给机器的名字必须从名字空间 name space 中仔细地选择，该名字空间完全控制对名字和IP地址的绑定。即，因为地址是唯一的，所以名字也必须是唯一的。名字空间将每个地址映射到一个唯一的名字，它可以按两种方式组织：平面的 flat 和层次的 hierarchical 。

25.1.1 平面名字空间

在平面名字空间 flat name space 中，一个名字分配给一个地址。空间中的名字是一个无结构的字符序列 sequence of characters without structure 。名字之间可能有、也可能没有公共部分，即使有公共部分，也没有实际含义。平面名字空间的缺点是，它必须集中控制，才能避免二义性和重复，因而不能用于如因特网这样的大规模系统中。

25.1.2 层次名字空间

在层次名字空间 hierarchical name space 中，每个名字由几个部分组成。第一部分可以定义组织的性质，第二部分可以定义一个组织的名字，第三部分可以定义组织的部门等等。在这种情况下，分配和控制名字空间的机构就可以分散化，涉及名字的各种任务也可分散化。中央管理机构可以分配名字的一部分，这部分定义组织的性质和组织的名字，名字其他部分的分配可交给这个组织自身。这个组织可以给名字加上后缀（或前缀）来定义主机或者其他资源，这个组织的管理机构不必担心，「为一个主机选择的后缀」会被其他组织所采用，因为即使地址的某一部分相同，整个地址也是不同的。

例如，假定两个学院和一个公司，都将它们的一台计算机命名为 challenger ，第一个学院由中央管理机构分配的名字是 fhda.edu ，第二个学院获得的名字是 berkeley.edu ，而公司获得的名字是 smart.com 。当这些组织的每一个，在已有的名字上加上名字 challenger 后，得到了三个不同的名字：challenger.fhda.edu, challenger.berkeley.edu, challenger.smart.com 。这些名字是唯一的，不需要由中央管理机构来分配。中央管理机构只控制名字的一部分，而不是整个名字。

25.2 域名空间

为了获得层次结构的名字空间，设计了域名空间 domain name space 。在这种设计方式中，所有的名字由根在顶部的倒置树结构 an inverted-tree structure with the root at the top 定义，该树最多有 128128128 级：000 级（根节点）∼127\sim 127∼127 级（见图25.2所示）。

25.2.1 标号

树上的每一个节点有一个标号 label ，标号是一个最多为 636363 个字符的字符串，根结点的标号是空字符串（空串）。DNS要求每一个节点的子节点（从同一节点分支出来的节点）有不同的标号，这样就确保了域名的唯一性。

25.2.2 域名

树上的每个节点都有一个域名。一个完全的域名 domain name 是用点 . 分隔的标号序列。约定俗成地，域名总是从节点向上读到根节点，最后一个标号是根节点的标号（空），这表示一个完全的域名总是以一个空标号结束，也意味着最后一个字符是一个点 . ，因为空字符串表示什么也没有。图25.3给出了某些域名。

1. 全称域名

如果一个标号序列由「主机标号、以及向上到达根节点所经过的各级节点的标号」组成，且以一个空字符串结束，则称它为全称域名 fully qualified domain name, FQDN 。全称域名是包含一台主机全名的域名，它包含所有的标号，从最具体的到最一般的标号，并能唯一地定义一台主机的名字。例如，域名 challenger.atc.fhda.edu. 是一个全称域名，代表安装在 De Anza 大学的高级技术中心 ATC 的、一台名字为 challenger 计算机。

DNS服务器只能匹配一个FQDN到一个IP地址 A DNS server can only match an FQDN to an address 。注意：名字必须以空标号结束，但是由于空标号表示空，所以这种标号以一个点 . 结束。

2. 部分域名

如果一个域名不是以空字符串结束，则称为部分域名 partially qualified domain name, PQDN 。部分域名起始于一个节点，但没有到达根节点，它不全部包括主机到根节点之间所有节点的标号。当这个需要解析的名字属于和客户机相同的站点时，使用部分域名。这种情况下，解析程序（即DNS客户端）能够提供省略的部分，称为后缀 suffix ，以创建FQDN。

例如，如果在 fhda.edu. 站点的一个用户，想要获取 challenger 计算机的IP地址，用户就可定义这个部分域名 challenger 。在将域名地址传送到DNS服务器之前，DNS客户端在部分域名 challenger 后加上后缀 atc.fhda.edu. 。图25.4表示了一些FQDN和PQDN。

DNS客户端通常会保存一个后缀列表。下面这些是 De Anza 大学的后缀列表。空后缀表示什么也没有，当用户定义一个全称域名的时候，就会加上这个后缀。

atc.fhda.edu
fhda.edu
null

25.2.3 域

域 domain 是域名空间的一棵子树。这个域的名字是子树顶部节点的域名。图25.5列出了一些域。注意：一个域本身也可以再划分为多个域，即子域 subdomain 。

25.3 名字空间的分布

必须将域名空间所包含的信息存储起来。然而，只使用一台计算机存储如此大容量的信息，效率非常低、不安全。效率低主要是因为响应来自世界各地的请求，会给系统造成非常大的负荷，不安全主要是因为任何故障将使整个数据库无法使用。

25.3.1 名字服务器的层次结构

解决这些问题的办法是，将信息分布在多台称为DNS服务器 DNS server 的计算机中。

一种方法是，将整个空间划分为多个基于第一级的域，即让根节点保持不动，但创建许多「与第一级节点一样多的域（子树）」。这样创建的域会很大，DNS允许将域进一步划为更小的域（子域），每一台服务器对一个大的域或者较小的域是负责的（授权的），即与建立名字的层次结构（域名空间）一样，也建立了服务器的层次结构（见图25.6）。

25.3.2 区域

既然完整的域名层次结构不能保存在单一的服务器上，那么它被分在多个服务器上，一个服务器负责或授权的范围称为区域 zone 。我们可以将一个区域定义为「整个树中的一个连续的部分」。

如果服务器负责一个域，且这个域没有进一步被划分为更小的子域，此时域和区域是相同的。服务器有一个数据库，称为区域文件，它保存这个域中所有节点的信息。
如果服务器将它的域划分为多个子域，并将其部分授权委托给其他服务器，那么域与区域就不同了。在子域节点的信息会存放在较低层次的服务器中，原来的服务器则保存「到这些较低层次服务器的某种引用 reference」。当然，原来的服务器并不是完全不负责任，它仍然拥有一个区域，只是将详细的信息保存在较低层次的服务器上（图25.7）。

一台服务器可以划分自己的部分域 divide part of its domain 并委托责任，但仍然为它自己保存一部分域。在这种情况下，它的区域是由「具有详细信息的那部分域（这部分域没有被委托）」以及「对已授权部分的引用 references to those parts that are delegated 」所组成。

25.3.3 根服务器

根服务器 root server 是指它的区域由整棵树组成的服务器。根服务器通常不保存关于域的任何信息，只是将其委托（授权）给其他服务器，并保存与这些服务器的参照关系。目前有多个根服务器，每一台都覆盖了整个域名空间，这些服务器分布在世界各地。

25.3.4 主服务器和辅助服务器

DNS定义了两种类型的服务器：主服务器和辅助服务器。

主服务器 primary server 是指存储了授权区域有关文件的服务器 A primary server is a server that stores a file about the zone for which it is an authority ，它负责创建、维护和更新区域文件，并将区域文件存储在本地磁盘中。
辅助服务器 secondary server 负责从另一个服务器（主服务器或辅助服务器）传输一个区域的全部信息，并将文件存储在它的本地磁盘中。
辅助服务器既不创建也不更新区域文件。如果需要更新，则必须由主服务器来完成，由主服务器发送更新的版本到辅助服务器中。
主服务器能够从磁盘文件中装载所有信息，辅助服务器从主服务器中装载信息。当辅助服务器从主服务器中下载信息时，这称为区域的传递。

主服务器和辅助服务器对它们所服务的区域都有控制权。这种设计思想并不是把辅助服务器置于一个较低的授权层次上，而是为了建立数据的冗余备份，这样当一台服务器出现故障时，另一台服务器可以继续为客户机服务。注意：一台服务器可能是某个特定区域的主服务器，同时也是另一个区域的辅助服务器。所以，当提到一个服务器作为主服务器或辅助服务器时，需要说清楚所指的是哪个区域。

25.4 因特网中的DNS

DNS是一种可以在不同平台上使用的协议。在因特网中，域名空间（树）被划分为三个部分：通用域、国家域和反向域（图25.8）。

25.4.1 通用域

通用域 generic domain 按照「已经注册主机的一般行为」对主机进行定义 define registered hosts according to their generic behavior 。树中的每个节点定义一个域，每个节点都是到域名空间数据库的一个索引（图25.9）。
我们从这棵树中可以看出，在通用域中的第一层允许有 141414 个可能的标号，这些标号描述了表25.1中列出的组织机构类型。

25.4.2 国家域

国家域 country domain 这一部分，使用两个字母的国家缩写（例如 us 代表美国），（国家域的）第二级标号可以是组织机构，或者更具体一些，由各个国家自己指定。例如，美国使用州的缩写作为国家域的子域划分（如 ca.us. ）。

图25.10展示了国家域部分。地址 anza.cup.ca.us 可以理解为美国加州的 Cuperetino 的 De Anza 学院。

25.4.3 反向域

反向域 inverse domain 用于将地址映射为名字。例如，当服务器接收到客户机完成某项任务的请求时，就会发生这种情况。尽管服务器中有一个包含着授权客户的列表文件，但文件中只列出了客户机的IP地址（从接收到的IP分组中提取出来）。为了确定该客户端是否在授权列表中，服务器就用它的解析程序，向DNS服务器发送一个查询，并请求将地址映射为名字。

这种类型的查询，称为反向或指针查询 inverse or pointer query, PTR 。为了处理一个指针查询，在域名空间中要增加一个反向域，并且其第一级节点称为 arpa（由于历史原因），第二级仍是单（个）节点，称为 in-addr（用于反向地址），域的其他部分定义IP地址。

处理反向域的服务器也是层次结构的。这意味着地址的网络号比子网号的层次更高（位于更上层），而子网号所处的层次要高于主机号所处的层次。同样，为整个网站服务的服务器应该比为子网服务的服务器，处于更高层次。与通用域或国家域相比，这种配置方法使得反向域看起来是倒置的（但从上到下，都是从大范围到小范围）。按照由下到上读取标号的约定，一个IP地址如 132.34.45.121（一个 BBB 类地址，网络号是 132.24）会读取为 121.45.34.132.in-addr.arpa 。参见图25.11关于反向域配置说明的图例。

25.5 解析

将名字映射为IP地址，或将IP地址映射为名字的过程，称为名字-地址解析。

25.5.1 解析程序

DNS是一个客户机/服务器程序。需要将地址映射为名字或将名字映射为地址时，主机要调用一个称为解析程序 resolver 的DNS客户程序（即DNS客户端称为解析程序）：

解析程序用一个映射请求 mapping request ，访问最近的一个DNS服务器。
如果服务器含有该消息，它就满足解析程序的请求；否则，它将解析程序交付给其他的服务器，或者查询其他的服务器来提供这种信息。
当解析程序接收到映射后，它解释这一响应，以确定它是一个真正的解析，还是一个差错，最后将结果传递给发出这一请求的进程。

25.5.2 名字到地址的映射

多数情况下，解析程序将域名提交给服务器，请求给出对应的IP地址。这种情况下，服务器检查通用域或国家域，以查找相应的映射。

如果域名来自于通用域部分，解析程序就会收到一个域名，如 chal.atc.fhda.edu. 。由解析程序将这个查询发送到本地DNS服务器进行解析。如果本地服务器不能解析这一查询，它或者把解析程序提交给其他的服务器，或者直接询问其他的服务器。
如果域名来自于国家域部分，那么解析程序会接收到类似于 ch.fhda.cu.ca.us. 形式的域名，处理过程与上相同。

25.5.3 地址到名字的映射

客户机向服务器发送IP地址，请求映射为域名。如前所述，这被称为一个PTR查询。要回复这种查询，DNS使用反向域。然而，在这种请求中，IP地址必须反过来，并且将 in-addr 和 arpa 两个标号附加在最后，以创建能够被反向域这一部分接收的域。例如，如果解析程序接收到的IP地址为 132.34.45.121 ，那么解析程序会首先将地址反过来，然后在发送之前附加两个标号，发送的“域名”是 121.45.34.132.in-addr.arpa. ，它由本地DNS接收并解析。

25.5.4 递归解析

客户端（解析程序）可以从一个名字服务器中请求一个递归的应答 a recursive answer ，这意味着解析程序期望服务器提供最终的答案。如果服务器是这一域名的授权服务器，它会检查它的数据库并做出响应；如果服务器不是授权服务器，它会把请求发送给另一服务器（通常是父服务器），并等待响应。如果父服务器是授权服务器，它就做出响应；否则，它仍然把这个查询发送给另一个服务器。当这个查询最终得到解析后，响应就后向传送，直到最终到达发出请求的主机。这就是递归解析 recursive resolution ，如图25.12。

25.5.5 迭代解析

如果客户端（解析程序）没有请求一个递归的应答，那么映射可以迭代的形式进行 the mapping can be done iteratively 。如果服务器是该名字的授权服务器，那么它发送应答；如果它不是，它就返回它认为「可以解析该查询的服务器的IP地址」（给客户端），由客户端负责向第二台服务器重复发送请求。如果新的地址解析服务器能够解析这一名字，那么它就用IP地址响应这一请求；否则，它向客户端返回新服务器的IP地址。这时，客户端必须向第三台服务器重复该请求。这一过程称为迭代解析 iterative resolution ，因为客户端向多台服务器重复同样的请求。在图25.13中，客户端在从 mcgraw.com 服务器得到应答之前，向四台服务器发送了查询请求。

25.5.6 高速缓存

每当服务器接收到查询一个不属于自己域的名字时，它需要搜索自己的数据库，以查找一台服务器的IP地址。缩短这一查询时间，能提高效率。DNS使用一种称为高速缓存 caching 的机制，处理这一问题。

当一个服务器向另一个服务器请求映射、并得到回应时，它在将该回应发送给客户端之前，先将这一信息存储在高速缓存中。如果同一客户端或者另一个客户端请求同一映射时，它会检查其高速缓存、并解决这一问题。然而，要通知客户这一响应来自于高速缓存、而不是来自于授权的信息源，该服务器会将这一响应标志为非授权性的 unauthoritative 。

高速缓存能加速解析过程，但仍存在问题。如果一台服务器长时间缓存一个映射时，可能会发送给客户端一个过期的映射。为了防止这一情况，使用了两个技巧：

第一个，授权服务器总是将称为生存时间 TTL 的信息添加在映射上，生存时间定义了接收服务器可以将信息放入高速缓存的时间（以秒计。超过这一时间，该映射就变为无效，而任何查询必须再次发送到授权服务器。
第二个，DNS要求每一台服务器对它缓存的每一个映射，保留一个 TTL 计数器，高速缓存会定期检查，并清除掉 TTL 已经过期的那些映射。

25.6 DNS报文

DNS有两种类型的报文：查询和响应，这两种类型的报文具有相同的格式。查询报文 query message 由头部和查询记录 question records 组成；响应报文 response message 由头部、查询记录、响应记录 answer records 、授权记录 authoritative records 和附加记录 additional records 组成（图25.14）。

1. 头部

查询和响应报文的头部格式相同，查询报文头部的某些字段设置为 000 。头部为 121212 个字节，格式如图25.15所示：

客户端使用标识子字段来匹配对查询的响应，客户端每次发送查询时，会使用不同的标识号。服务器在对应的响应中会重复这一编号。
标记是子字段的集合，这些子字段定义了报文的类型（查询或者响应）、响应的类型、期望的解析类型（递归或者迭代）等。
查询记录数是指该报文中查询部分所含请求的数量。
响应记录数是指响应报文中响应部分所含应答记录的数量，在查询报文中它的值为 000 。
授权记录数是指响应报文中授权部分所含授权记录的数量，在查询报文中它的值为 000 。
最后一项，附加记录数是指响应报文中附加部分所含附加记录的数量，在查询报文中它的值为 000 。

2. 查询部分

它由一条或多条查询记录组成，查询和响应报文都含有这一部分。下一节中讨论查询记录。

3. 响应部分

它由一条或多条资源记录组成，它仅存在于响应报文中。这一部分包括从服务器到客户端（解析器）的应答。下一节中讨论资源记录。

4. 授权部分

它由一条或多条资源记录组成，它仅存在于响应报文中。这一部分给出了用于查询的一台或多台授权服务器的信息（域名）。

5. 附加消息部分

它由一条或多条资源记录组成，它仅存在于响应报文中。这一部分给出了有助于解析程序的附加信息，例如，服务器可以在授权部分，为解析程序提供授权服务器的域名，并且把「同一授权服务器的IP地址」包含在附加信息部分中。

25.7 记录的类型

从25.6节可以看出，DNS使用了两种类型的记录。在查询和响应报文的查询部分，使用了查询记录；在响应报文中的响应、授权、附加消息部分，使用了资源记录。

25.7.1 查询记录

客户机使用查询记录 question record 从服务器获取信息，它包含了域名。

25.7.2 资源记录

每一个域名（在树中的每个节点）都与一个资源记录 resource record 相关联。服务器数据库包含了所有的资源记录，服务器还返回资源记录给客户机。

25.8 注册机构

新的域名是怎样加入到DNS中呢？这是通过注册机构 registrar 来完成的，一个熟知的商业实体是因特网名字和编号分配组织 ICANN 。注册机构首先确认询问的域名是唯一的，然后将它输入到DNS数据库中，这是需要收费的。

现在，有很多的注册机构，它们的名字和地址可以在网站https://www.intenic.net中找到。

为了能够注册，组织机构需要给出它的服务器的主机名和IP地址 the name of its server and the IP address of the server 。例如，一个新的商业机构名为 wonderful ，它有一台名为 ws 的服务器，IP地址为 200.200.200.5 ，就需要将以下的信息交给一个注册机构。

Domain name: WS.wonderful.com
IP address: 200.200.200.5

25.9 动态域名系统 `DDNS`

在设计DNS时，没有人预料到会有如此多的地址变化 address changes 。在DNS中，有了一个变化时，例如增加一台新主机、移除一台主机或改变一个IP地址，就必须对DNS主文件 the DNS master file 进行更改。这些类型的变化，涉及许多手工的更新。因特网今天的规模，已经不允许使用这种手工操作。

DNS主文件必须能动态更新。动态域名系统 Dynamic Domain Name System, DDNS 就是为满足这种需求而设计的。在DDNS中，当名字和地址之间的绑定确定时，通常是由DHCP（第21章）给主DNS服务器发送这种消息，主服务器更新这一区域。通知辅助服务器的方法，可以以主动方式或者以被动方式——在主动通知方式中，主服务器向辅助服务器发送关于区域变化的报文；在被动通知方式中，辅助服务器定期地检查是否有任何变化。无论使用哪一种方式，当得到变化的通知时，辅助服务器会请求整个区域的信息（区域传输）。

为了提供安全性，以防止对DNS记录的非授权更改，DDNS可以使用鉴别机制。

25.10 封装

DNS可以使用UDP或者TCP协议。在这两种情况下，服务器使用的熟知端口号是 535353 。当响应报文的长度小于 512512512 字节时，就使用UDP。因为大多数UDP分组有 512512512 字节分组大小的限制；如果响应报文的长度大于 512512512 字节，则必须使用TCP连接。在这种情况下，可能会发生以下两种情况：

如果解析服务器预先知道响应报文超过 512512512 字节，那么它必须使用TCP连接。例如，如果辅助名字服务器（作为客户端）需要从主服务器进行区域传输，那么必须使用TCP连接，因为被传输的信息通常是超过 512512512 字节的。
如果解析程序不知道响应报文的大小，那么可以使用UDP端口。但是，如果响应报文超过 512512512 字节，那么服务器会截断这一报文。此时解析程序会开启TCP连接，并重复该请求，从服务器中获得完整的响应。

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