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互联网协议入门及DNS原理入门

原创 网络安全 作者:lhrbest 时间:2016-06-20 20:05:12 0 删除 编辑

互联网协议入门及DNS原理入门




互联网协议入门

作者: 阮一峰

日期: 2012年5月31日

我们每天使用互联网,你是否想过,它是如何实现的?

全世界几十亿台电脑,连接在一起,两两通信。上海的某一块网卡送出信号,洛杉矶的另一块网卡居然就收到了,两者实际上根本不知道对方的物理位置,你不觉得这是很神奇的事情吗?

互联网的核心是一系列协议,总称为"互联网协议"(Internet Protocol Suite)。它们对电脑如何连接和组网,做出了详尽的规定。理解了这些协议,就理解了互联网的原理。

下面就是我的学习笔记。因为这些协议实在太复杂、太庞大,我想整理一个简洁的框架,帮助自己从总体上把握它们。为了保证简单易懂,我做了大量的简化,有些地方并不全面和精确,但是应该能够说清楚互联网的原理。

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互联网协议入门

作者:阮一峰

一、概述

1.1 五层模型

互联网的实现,分成好几层。每一层都有自己的功能,就像建筑物一样,每一层都靠下一层支持。

用户接触到的,只是最上面的一层,根本没有感觉到下面的层。要理解互联网,必须从最下层开始,自下而上理解每一层的功能。

如何分层有不同的模型,有的模型分七层,有的分四层。我觉得,把互联网分成五层,比较容易解释。

如上图所示,最底下的一层叫做"实体层"(Physical Layer),最上面的一层叫做"应用层"(Application Layer),中间的三层(自下而上)分别是"链接层"(Link Layer)、"网络层"(Network Layer)和"传输层"(Transport Layer)。越下面的层,越靠近硬件;越上面的层,越靠近用户。

它们叫什么名字,其实并不重要。只需要知道,互联网分成若干层就可以了。

1.2 层与协议

每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能,就需要大家都遵守共同的规则。

大家都遵守的规则,就叫做"协议"(protocol)。

互联网的每一层,都定义了很多协议。这些协议的总称,就叫做"互联网协议"(Internet Protocol Suite)。它们是互联网的核心,下面介绍每一层的功能,主要就是介绍每一层的主要协议。

二、实体层

我们从最底下的一层开始。

电脑要组网,第一件事要干什么?当然是先把电脑连起来,可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

这就叫做"实体层",它就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性,作用是负责传送0和1的电信号。

三、链接层

3.1 定义

单纯的0和1没有任何意义,必须规定解读方式:多少个电信号算一组?每个信号位有何意义?

这就是"链接层"的功能,它在"实体层"的上方,确定了0和1的分组方式。

3.2 以太网协议

早期的时候,每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地,一种叫做"以太网"(Ethernet)的协议,占据了主导地位。

以太网规定,一组电信号构成一个数据包,叫做"帧"(Frame)。每一帧分成两个部分:标头(Head)和数据(Data)。

"标头"包含数据包的一些说明项,比如发送者、接受者、数据类型等等;"数据"则是数据包的具体内容。

"标头"的长度,固定为18字节。"数据"的长度,最短为46字节,最长为1500字节。因此,整个"帧"最短为64字节,最长为1518字节。如果数据很长,就必须分割成多个帧进行发送。

3.3 MAC地址

上面提到,以太网数据包的"标头",包含了发送者和接受者的信息。那么,发送者和接受者是如何标识呢?

以太网规定,连入网络的所有设备,都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡,传送到另一块网卡。网卡的地址,就是数据包的发送地址和接收地址,这叫做MAC地址。

每块网卡出厂的时候,都有一个全世界独一无二的MAC地址,长度是48个二进制位,通常用12个十六进制数表示。

前6个十六进制数是厂商编号,后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址,就可以定位网卡和数据包的路径了。

3.4 广播

定义地址只是第一步,后面还有更多的步骤。

首先,一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址?

回答是有一种ARP协议,可以解决这个问题。这个留到后面介绍,这里只需要知道,以太网数据包必须知道接收方的MAC地址,然后才能发送。

其次,就算有了MAC地址,系统怎样才能把数据包准确送到接收方?

回答是以太网采用了一种很"原始"的方式,它不是把数据包准确送到接收方,而是向本网络内所有计算机发送,让每台计算机自己判断,是否为接收方。

上图中,1号计算机向2号计算机发送一个数据包,同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头",找到接收方的MAC地址,然后与自身的MAC地址相比较,如果两者相同,就接受这个包,做进一步处理,否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"(broadcasting)。

有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式,"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

四、网络层

4.1 网络层的由来

以太网协议,依靠MAC地址发送数据。理论上,单单依靠MAC地址,上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了,技术上是可以实现的。

但是,这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包,所有成员人手一"包",不仅效率低,而且局限在发送者所在的子网络。也就是说,如果两台计算机不在同一个子网络,广播是传不过去的。这种设计是合理的,否则互联网上每一台计算机都会收到所有包,那会引起灾难。

互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络,很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络,这几乎是不可能的。

因此,必须找到一种方法,能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络,哪些不是。如果是同一个子网络,就采用广播方式发送,否则就采用"路由"方式发送。("路由"的意思,就是指如何向不同的子网络分发数据包,这是一个很大的主题,本文不涉及。)遗憾的是,MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关,与所处网络无关。

这就导致了"网络层"的诞生。它的作用是引进一套新的地址,使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做"网络地址",简称"网址"。

于是,"网络层"出现以后,每台计算机有了两种地址,一种是MAC地址,另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系,MAC地址是绑定在网卡上的,网络地址则是管理员分配的,它们只是随机组合在一起。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络,MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此,从逻辑上可以推断,必定是先处理网络地址,然后再处理MAC地址。

4.2 IP协议

规定网络地址的协议,叫做IP协议。它所定义的地址,就被称为IP地址。

目前,广泛采用的是IP协议第四版,简称IPv4。这个版本规定,网络地址由32个二进制位组成。

习惯上,我们用分成四段的十进制数表示IP地址,从0.0.0.0一直到255.255.255.255。

互联网上的每一台计算机,都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分,前一部分代表网络,后一部分代表主机。比如,IP地址172.16.254.1,这是一个32位的地址,假定它的网络部分是前24位(172.16.254),那么主机部分就是后8位(最后的那个1)。处于同一个子网络的电脑,它们IP地址的网络部分必定是相同的,也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。

但是,问题在于单单从IP地址,我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例,它的网络部分,到底是前24位,还是前16位,甚至前28位,从IP地址上是看不出来的。

那么,怎样才能从IP地址,判断两台计算机是否属于同一个子网络呢?这就要用到另一个参数"子网掩码"(subnet mask)。

所谓"子网掩码",就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址,也是一个32位二进制数字,它的网络部分全部为1,主机部分全部为0。比如,IP地址172.16.254.1,如果已知网络部分是前24位,主机部分是后8位,那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000,写成十进制就是255.255.255.0。

知道"子网掩码",我们就能判断,任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算(两个数位都为1,运算结果为1,否则为0),然后比较结果是否相同,如果是的话,就表明它们在同一个子网络中,否则就不是。

比如,已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0,请问它们是否在同一个子网络?两者与子网掩码分别进行AND运算,结果都是172.16.254.0,因此它们在同一个子网络。

总结一下,IP协议的作用主要有两个,一个是为每一台计算机分配IP地址,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

4.3 IP数据包

根据IP协议发送的数据,就叫做IP数据包。不难想象,其中必定包括IP地址信息。

但是前面说过,以太网数据包只包含MAC地址,并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义,再添加一个栏位呢?

回答是不需要,我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分,因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处:上层的变动完全不涉及下层的结构。

具体来说,IP数据包也分为"标头"和"数据"两个部分。

"标头"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息,"数据"部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后,以太网数据包就变成了下面这样。

IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节,整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此,理论上,一个IP数据包的"数据"部分,最长为65,515字节。前面说过,以太网数据包的"数据"部分,最长只有1500字节。因此,如果IP数据包超过了1500字节,它就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了。

4.4 ARP协议

关于"网络层",还有最后一点需要说明。

因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的,所以我们必须同时知道两个地址,一个是对方的MAC地址,另一个是对方的IP地址。通常情况下,对方的IP地址是已知的(后文会解释),但是我们不知道它的MAC地址。

所以,我们需要一种机制,能够从IP地址得到MAC地址。

这里又可以分成两种情况。第一种情况,如果两台主机不在同一个子网络,那么事实上没有办法得到对方的MAC地址,只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"(gateway),让网关去处理。

第二种情况,如果两台主机在同一个子网络,那么我们可以用ARP协议,得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它所要查询主机的IP地址,在对方的MAC地址这一栏,填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机,都会收到这个数据包,从中取出IP地址,与自身的IP地址进行比较。如果两者相同,都做出回复,向对方报告自己的MAC地址,否则就丢弃这个包。

总之,有了ARP协议之后,我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址,可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

五、传输层

5.1 传输层的由来

有了MAC地址和IP地址,我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

接下来的问题是,同一台主机上有许多程序都需要用到网络,比如,你一边浏览网页,一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候,你怎么知道,它是表示网页的内容,还是表示在线聊天的内容?

也就是说,我们还需要一个参数,表示这个数据包到底供哪个程序(进程)使用。这个参数就叫做"端口"(port),它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口,所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

"端口"是0到65535之间的一个整数,正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用,用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天,应用程序会随机选用一个端口,然后与服务器的相应端口联系。

"传输层"的功能,就是建立"端口到端口"的通信。相比之下,"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。只要确定主机和端口,我们就能实现程序之间的交流。因此,Unix系统就把主机+端口,叫做"套接字"(socket)。有了它,就可以进行网络应用程序开发了。

5.2 UDP协议

现在,我们必须在数据包中加入端口信息,这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议,它的格式几乎就是在数据前面,加上端口号。

UDP数据包,也是由"标头"和"数据"两部分组成。

"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口,"数据"部分就是具体的内容。然后,把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分,而前面说过,IP数据包又是放在以太网数据包之中的,所以整个以太网数据包现在变成了下面这样:

UDP数据包非常简单,"标头"部分一共只有8个字节,总长度不超过65,535字节,正好放进一个IP数据包。

5.3 TCP协议

UDP协议的优点是比较简单,容易实现,但是缺点是可靠性较差,一旦数据包发出,无法知道对方是否收到。

为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂,但可以近似认为,它就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失,就收不到确认,发出方就知道有必要重发这个数据包了。

因此,TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

TCP数据包和UDP数据包一样,都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。TCP数据包没有长度限制,理论上可以无限长,但是为了保证网络的效率,通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度,以确保单个TCP数据包不必再分割。

六、应用层

应用程序收到"传输层"的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构,数据来源五花八门,必须事先规定好格式,否则根本无法解读。

"应用层"的作用,就是规定应用程序的数据格式。

举例来说,TCP协议可以为各种各样的程序传递数据,比如Email、WWW、FTP等等。那么,必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式,这些应用程序协议就构成了"应用层"。

这是最高的一层,直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此,现在的以太网的数据包就变成下面这样。

至此,整个互联网的五层结构,自下而上全部讲完了。这是从系统的角度,解释互联网是如何构成的。下一篇,我反过来,从用户的角度,自上而下看看这个结构是如何发挥作用,完成一次网络数据交换的。




互联网协议入门(二)


上一篇文章分析了互联网的总体构思,从下至上,每一层协议的设计思想。

这是从设计者的角度看问题,今天我想切换到用户的角度,看看用户是如何从上至下,与这些协议互动的。

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互联网协议入门(二)

作者:阮一峰

(接上文)

七、一个小结

先对前面的内容,做一个小结。

我们已经知道,网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包,后者收到了,回复一个数据包,从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构,基本上是下面这样:

发送这个包,需要知道两个地址:

  * 对方的MAC地址

  * 对方的IP地址

有了这两个地址,数据包才能准确送到接收者手中。但是,前面说过,MAC地址有局限性,如果两台电脑不在同一个子网络,就无法知道对方的MAC地址,必须通过网关(gateway)转发。

上图中,1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它先判断4号电脑是否在同一个子网络,结果发现不是(后文介绍判断方法),于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议,发现4号电脑位于子网络B,又把数据包发给网关B,网关B再转发到4号电脑。

1号电脑把数据包发到网关A,必须知道网关A的MAC地址。所以,数据包的目标地址,实际上分成两种情况:

场景 数据包地址
同一个子网络 对方的MAC地址,对方的IP地址
非同一个子网络 网关的MAC地址,对方的IP地址

发送数据包之前,电脑必须判断对方是否在同一个子网络,然后选择相应的MAC地址。接下来,我们就来看,实际使用中,这个过程是怎么完成的。

八、用户的上网设置

8.1 静态IP地址

你买了一台新电脑,插上网线,开机,这时电脑能够上网吗?

通常你必须做一些设置。有时,管理员(或者ISP)会告诉你下面四个参数,你把它们填入操作系统,计算机就能连上网了:

  * 本机的IP地址
  * 子网掩码
  * 网关的IP地址
  * DNS的IP地址

下图是Windows系统的设置窗口。

这四个参数缺一不可,后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的,计算机每次开机,都会分到同样的IP地址,所以这种情况被称作"静态IP地址上网"。

但是,这样的设置很专业,普通用户望而生畏,而且如果一台电脑的IP地址保持不变,其他电脑就不能使用这个地址,不够灵活。出于这两个原因,大多数用户使用"动态IP地址上网"。

8.2 动态IP地址

所谓"动态IP地址",指计算机开机后,会自动分配到一个IP地址,不用人为设定。它使用的协议叫做DHCP协议

这个协议规定,每一个子网络中,有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址,它叫做"DHCP服务器"。新的计算机加入网络,必须向"DHCP服务器"发送一个"DHCP请求"数据包,申请IP地址和相关的网络参数。

前面说过,如果两台计算机在同一个子网络,必须知道对方的MAC地址和IP地址,才能发送数据包。但是,新加入的计算机不知道这两个地址,怎么发送数据包呢?

DHCP协议做了一些巧妙的规定。

8.3 DHCP协议

首先,它是一种应用层协议,建立在UDP协议之上,所以整个数据包是这样的:

  (1)最前面的"以太网标头",设置发出方(本机)的MAC地址和接收方(DHCP服务器)的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址,后者这时不知道,就填入一个广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

  (2)后面的"IP标头",设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时,对于这两者,本机都不知道。于是,发出方的IP地址就设为0.0.0.0,接收方的IP地址设为255.255.255.255。

  (3)最后的"UDP标头",设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的,发出方是68端口,接收方是67端口。

这个数据包构造完成后,就可以发出了。以太网是广播发送,同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是发给谁的,所以每台收到这个包的计算机,还必须分析这个包的IP地址,才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0,接收方是255.255.255.255,于是DHCP服务器知道"这个包是发给我的",而其他计算机就可以丢弃这个包。

接下来,DHCP服务器读出这个包的数据内容,分配好IP地址,发送回去一个"DHCP响应"数据包。这个响应包的结构也是类似的,以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址,IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址(发出方)和255.255.255.255(接收方),UDP标头的端口是67(发出方)和68(接收方),分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

新加入的计算机收到这个响应包,于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

8.4 上网设置:小结

这个部分,需要记住的就是一点:不管是"静态IP地址"还是"动态IP地址",电脑上网的首要步骤,是确定四个参数。这四个值很重要,值得重复一遍:

  * 本机的IP地址
  * 子网掩码
  * 网关的IP地址
  * DNS的IP地址

有了这几个数值,电脑就可以上网"冲浪"了。接下来,我们来看一个实例,当用户访问网页的时候,互联网协议是怎么运作的。

九、一个实例:访问网页

9.1 本机参数

我们假定,经过上一节的步骤,用户设置好了自己的网络参数:

  * 本机的IP地址:192.168.1.100
  * 子网掩码:255.255.255.0
  * 网关的IP地址:192.168.1.1
  * DNS的IP地址:8.8.8.8

然后他打开浏览器,想要访问Google,在地址栏输入了网址:www.google.com。

这意味着,浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

9.2 DNS协议

我们知道,发送数据包,必须要知道对方的IP地址。但是,现在,我们只知道网址www.google.com,不知道它的IP地址。

DNS协议可以帮助我们,将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8,于是我们向这个地址发送一个DNS数据包(53端口)。

然后,DNS服务器做出响应,告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是,我们知道了对方的IP地址。

9.3 子网掩码

接下来,我们要判断,这个IP地址是不是在同一个子网络,这就要用到子网掩码。

已知子网掩码是255.255.255.0,本机用它对自己的IP地址192.168.1.100,做一个二进制的AND运算(两个数位都为1,结果为1,否则为0),计算结果为192.168.1.0;然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算,计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等,所以结论是,Google与本机不在同一个子网络。

因此,我们要向Google发送数据包,必须通过网关192.168.1.1转发,也就是说,接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。

9.4 应用层协议

浏览网页用的是HTTP协议,它的整个数据包构造是这样的:

HTTP部分的内容,类似于下面这样:

  GET / HTTP/1.1
  Host: www.google.com
  Connection: keep-alive
  User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ......
  Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
  Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
  Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
  Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
  Cookie: ... ...

我们假定这个部分的长度为4960字节,它会被嵌在TCP数据包之中。

9.5 TCP协议

TCP数据包需要设置端口,接收方(Google)的HTTP端口默认是80,发送方(本机)的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数,假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入HTTP的数据包,总长度变为4980字节。

9.6 IP协议

然后,TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址,这是已知的,发送方是192.168.1.100(本机),接收方是172.194.72.105(Google)。

IP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入的TCP数据包,总长度变为5000字节。

9.7 以太网协议

最后,IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址,发送方为本机的网卡MAC地址,接收方为网关192.168.1.1的MAC地址(通过ARP协议得到)。

以太网数据包的数据部分,最大长度为1500字节,而现在的IP数据包长度为5000字节。因此,IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头(20字节),所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

9.8 服务器端响应

经过多个网关的转发,Google的服务器172.194.72.105,收到了这四个以太网数据包。

根据IP标头的序号,Google将四个包拼起来,取出完整的TCP数据包,然后读出里面的"HTTP请求",接着做出"HTTP响应",再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应以后,就可以将网页显示出来,完成一次网络通信。

这个例子就到此为止,虽然经过了简化,但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。












DNS 原理入门

作者: 阮一峰

日期: 2016年6月16日

DNS 是互联网核心协议之一。不管是上网浏览,还是编程开发,都需要了解一点它的知识。

本文详细介绍DNS的原理,以及如何运用工具软件观察它的运作。我的目标是,读完此文后,你就能完全理解DNS。

一、DNS 是什么?

DNS (Domain Name System 的缩写)的作用非常简单,就是根据域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的电话本。

举例来说,如果你要访问域名math.stackexchange.com,首先要通过DNS查出它的IP地址是151.101.129.69。

如果你不清楚为什么一定要查出IP地址,才能进行网络通信,建议先阅读我写的《互联网协议入门》

二、查询过程

虽然只需要返回一个IP地址,但是DNS的查询过程非常复杂,分成多个步骤。

工具软件dig可以显示整个查询过程。

 $ dig math.stackexchange.com 

上面的命令会输出六段信息。

第一段是查询参数和统计。

第二段是查询内容。

上面结果表示,查询域名math.stackexchange.com的A记录,A是address的缩写。

第三段是DNS服务器的答复。

上面结果显示,math.stackexchange.com有四个A记录,即四个IP地址。600是TTL值(Time to live 的缩写),表示缓存时间,即600秒之内不用重新查询。

第四段显示stackexchange.com的NS记录(Name Server的缩写),即哪些服务器负责管理stackexchange.com的DNS记录。

上面结果显示stackexchange.com共有四条NS记录,即四个域名服务器,向其中任一台查询就能知道math.stackexchange.com的IP地址是什么。

第五段是上面四个域名服务器的IP地址,这是随着前一段一起返回的。

第六段是DNS服务器的一些传输信息。

上面结果显示,本机的DNS服务器是192.168.1.253,查询端口是53(DNS服务器的默认端口),以及回应长度是305字节。

如果不想看到这么多内容,可以使用+short参数。

 $ 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对应的4个IP地址(即A记录)。

三、DNS服务器

下面我们根据前面这个例子,一步步还原,本机到底怎么得到域名math.stackexchange.com的IP地址。

首先,本机一定要知道DNS服务器的IP地址,否则上不了网。通过DNS服务器,才能知道某个域名的IP地址到底是什么。

DNS服务器的IP地址,有可能是动态的,每次上网时由网关分配,这叫做DHCP机制;也有可能是事先指定的固定地址。Linux系统里面,DNS服务器的IP地址保存在/etc/resolv.conf文件。

上例的DNS服务器是192.168.1.253,这是一个内网地址。有一些公网的DNS服务器,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

本机只向自己的DNS服务器查询,dig命令有一个@参数,显示向其他DNS服务器查询的结果。

 $ dig @4.2.2.2 math.stackexchange.com 

上面命令指定向DNS服务器4.2.2.2查询。

四、域名的层级

DNS服务器怎么会知道每个域名的IP地址呢?答案是分级查询。

请仔细看前面的例子,每个域名的尾部都多了一个点。

比如,域名math.stackexchange.com显示为math.stackexchange.com.。这不是疏忽,而是所有域名的尾部,实际上都有一个根域名。

举例来说,www.example.com真正的域名是www.example.com.root,简写为www.example.com.。因为,根域名.root对于所有域名都是一样的,所以平时是省略的。

根域名的下一级,叫做"顶级域名"(top-level domain,缩写为TLD),比如.com、.net;再下一级叫做"次级域名"(second-level domain,缩写为SLD),比如www.example.com里面的.example,这一级域名是用户可以注册的;再下一级是主机名(host),比如www.example.com里面的www,又称为"三级域名",这是用户在自己的域里面为服务器分配的名称,是用户可以任意分配的。

总结一下,域名的层级结构如下。

 主机名.次级域名.顶级域名.根域名 # 即  host.sld.tld.root 

五、根域名服务器

DNS服务器根据域名的层级,进行分级查询。

需要明确的是,每一级域名都有自己的NS记录,NS记录指向该级域名的域名服务器。这些服务器知道下一级域名的各种记录。

所谓"分级查询",就是从根域名开始,依次查询每一级域名的NS记录,直到查到最终的IP地址,过程大致如下。

  1. 从"根域名服务器"查到"顶级域名服务器"的NS记录和A记录(IP地址)
  2. 从"顶级域名服务器"查到"次级域名服务器"的NS记录和A记录(IP地址)
  3. 从"次级域名服务器"查出"主机名"的IP地址

仔细看上面的过程,你可能发现了,没有提到DNS服务器怎么知道"根域名服务器"的IP地址。回答是"根域名服务器"的NS记录和IP地址一般是不会变化的,所以内置在DNS服务器里面。

下面是内置的根域名服务器IP地址的一个例子

上面列表中,列出了根域名(.root)的三条NS记录A.ROOT-SERVERS.NET、B.ROOT-SERVERS.NET和C.ROOT-SERVERS.NET,以及它们的IP地址(即A记录)198.41.0.4、192.228.79.201、192.33.4.12。

另外,可以看到所有记录的TTL值是3600000秒,相当于1000小时。也就是说,每1000小时才查询一次根域名服务器的列表。

目前,世界上一共有十三组根域名服务器,从A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。

六、分级查询的实例

dig命令的+trace参数可以显示DNS的整个分级查询过程。

 $ dig +trace math.stackexchange.com 

上面命令的第一段列出根域名.的所有NS记录,即所有根域名服务器。

根据内置的根域名服务器IP地址,DNS服务器向所有这些IP地址发出查询请求,询问math.stackexchange.com的顶级域名服务器com.的NS记录。最先回复的根域名服务器将被缓存,以后只向这台服务器发请求。

接着是第二段。

上面结果显示.com域名的13条NS记录,同时返回的还有每一条记录对应的IP地址。

然后,DNS服务器向这些顶级域名服务器发出查询请求,询问math.stackexchange.com的次级域名stackexchange.com的NS记录。

上面结果显示stackexchange.com有四条NS记录,同时返回的还有每一条NS记录对应的IP地址。

然后,DNS服务器向上面这四台NS服务器查询math.stackexchange.com的主机名。

上面结果显示,math.stackexchange.com有4条A记录,即这四个IP地址都可以访问到网站。并且还显示,最先返回结果的NS服务器是ns-463.awsdns-57.com,IP地址为205.251.193.207。

七、NS 记录的查询

dig命令可以单独查看每一级域名的NS记录。

 $ dig ns com
$ dig ns stackexchange.com 

+short参数可以显示简化的结果。

 $ dig +short ns com
$ dig +short ns stackexchange.com 

八、DNS的记录类型

域名与IP之间的对应关系,称为"记录"(record)。根据使用场景,"记录"可以分成不同的类型(type),前面已经看到了有A记录和NS记录。

常见的DNS记录类型如下。

(1) A:地址记录(Address),返回域名指向的IP地址。

(2) NS:域名服务器记录(Name Server),返回保存下一级域名信息的服务器地址。该记录只能设置为域名,不能设置为IP地址。

(3)MX:邮件记录(Mail eXchange),返回接收电子邮件的服务器地址。

(4)CNAME:规范名称记录(Canonical Name),返回另一个域名,即当前查询的域名是另一个域名的跳转,详见下文。

(5)PTR:逆向查询记录(Pointer Record),只用于从IP地址查询域名,详见下文。

一般来说,为了服务的安全可靠,至少应该有两条NS记录,而A记录和MX记录也可以有多条,这样就提供了服务的冗余性,防止出现单点失败。

CNAME记录主要用于域名的内部跳转,为服务器配置提供灵活性,用户感知不到。举例来说,facebook.github.io这个域名就是一个CNAME记录。

 $ dig facebook.github.io ... ;; ANSWER SECTION: facebook.github.io. 3370 IN  CNAME   github.map.fastly.net. github.map.fastly.net. 600 IN  A 103.245.222.133 

上面结果显示,facebook.github.io的CNAME记录指向github.map.fastly.net。也就是说,用户查询facebook.github.io的时候,实际上返回的是github.map.fastly.net的IP地址。这样的好处是,变更服务器IP地址的时候,只要修改github.map.fastly.net这个域名就可以了,用户的facebook.github.io域名不用修改。

由于CNAME记录就是一个替换,所以域名一旦设置CNAME记录以后,就不能再设置其他记录了(比如A记录和MX记录),这是为了防止产生冲突。举例来说,foo.com指向bar.com,而两个域名各有自己的MX记录,如果两者不一致,就会产生问题。由于顶级域名通常要设置MX记录,所以一般不允许用户对顶级域名设置CNAME记录。

PTR记录用于从IP地址反查域名。dig命令的-x参数用于查询PTR记录。

 $ dig -x 192.30.252.153 ... ;; ANSWER SECTION: 153.252.30.192.in-addr.arpa. 3600 IN    PTR pages.github.com. 

上面结果显示,192.30.252.153这台服务器的域名是pages.github.com。

逆向查询的一个应用,是可以防止垃圾邮件,即验证发送邮件的IP地址,是否真的有它所声称的域名。

dig命令可以查看指定的记录类型。

 $ dig a github.com
$ dig ns github.com
$ dig mx github.com 

九、其他DNS工具

除了dig,还有一些其他小工具也可以使用。

(1)host 命令

host命令可以看作dig命令的简化版本,返回当前请求域名的各种记录。

 $ host github.com

github.com has address 192.30.252.121 github.com mail is handled by 5 ALT2.ASPMX.L.GOOGLE.COM. github.com mail is handled by 10 ALT4.ASPMX.L.GOOGLE.COM. github.com mail is handled by 10 ALT3.ASPMX.L.GOOGLE.COM. github.com mail is handled by 5 ALT1.ASPMX.L.GOOGLE.COM. github.com mail is handled by 1 ASPMX.L.GOOGLE.COM. $ host facebook.github.com

facebook.github.com is an alias for github.map.fastly.net. github.map.fastly.net has address 103.245.222.133 

host命令也可以用于逆向查询,即从IP地址查询域名,等同于dig -x 。

 $ host 192.30.252.153 153.252.30.192.in-addr.arpa domain name pointer pages.github.com. 

(2)nslookup 命令

nslookup命令用于互动式地查询域名记录。

 $ nslookup > facebook.github.io
Server: 192.168.1.253 Address: 192.168.1.253#53  Non-authoritative answer: facebook.github.io  canonical name = github.map.fastly.net. Name: github.map.fastly.net
Address: 103.245.222.133 > 

(3)whois 命令

whois命令用来查看域名的注册情况。

 $ whois github.com 

十、参考链接






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