【TCP/IP】9. 域名系统（DNS）
9. 域名系统（DNS）
- 9. 域名系统（DNS）
- 概述
- 9.1 命名机制与名字管理
- 9.1.1 命名机制分类
- 9.1.2 层次型命名的树形结构
- 9.2 因特网域名
- 9.2.1 域名结构
- 9.2.2 域与区域的区别
- 9.3 DNS 服务器
- 9.4 域名解析
- 9.4.1 解析类型
- 9.4.2 解析方式
- 9.4.3 解析效率优化
- 9.5 DNS 报文格式
- 9.5.1 首部字段（12 字节）
- 9.5.2 问题部分
- 9.5.3 回答 / 授权 / 附加部分
- 9.6 DNS 资源记录
- 9.7 DNS 配置及数据库文件
- 9.7.1 配置文件（named.conf）
- 9.7.2 Cache 文件（named.cache）
- 9.7.3 正向查询文件（如 named.hosts）
- 9.7.4 反向查询文件（如 named.rev）
- 本章要点
9. 域名系统（DNS）
概述
DNS（Domain Name System）是 TCP/IP 应用层的核心协议，用于实现主机名与 IP 地址的映射，解决 IP 地址（点分十进制）抽象、难记忆的问题。其核心作用是在三个层次的主机标识系统中（物理地址→IP 地址→主机名），实现高层主机名与中层 IP 地址的映射，与 ARP（IP→物理地址）共同构成完整的地址映射体系。
9.1 命名机制与名字管理
DNS 采用层次型命名机制，通过树形结构组织名字空间，实现主机名的全局唯一性、便于管理和映射。
9.1.1 命名机制分类
| 机制类型 | 特点 | 局限性 |
|---|---|---|
| 无层次命名 | 主机名无结构，由中央机构集中管理，通过主机文件实现映射 | 不适合大规模网络，易冲突，管理效率低 |
| 层次型命名 | 名字空间呈树形结构，按管理机构层次划分，分散管理 | 保证唯一性，适应大规模网络，映射效率高 |
9.1.2 层次型命名的树形结构
- 根域：唯一的顶层节点，通常省略，如需显式表示则以 “.” 结尾。
- 节点标号：树中每个节点有唯一标号（由字母、数字、连字符组成，不超过 63 字节）。
- 管理方式：上层机构将子名字空间授权给下层机构管理，每层只需保证自身子节点标号唯一，即可确保全局唯一性。
9.2 因特网域名
域名是层次型命名机制的具体体现，由圆点 “.” 分隔的标号序列构成，反映树形结构中从叶节点到根节点的路径。
9.2.1 域名结构
- 完全合格域名（FQDN）：包含从主机到根的完整标号序列，以 “.” 结尾（如
serv.njust.edu.cn.）。 - 层次划分：从高到低依次为：
- 根域：顶层，无标号；
- 顶级域：分为三类：
- 通用顶级域名（gTLD）：按组织类型划分，如
com（商业）、org（非盈利）、edu（教育）、gov（政府）等；新增biz、info、mobi等。 - 国家代码顶级域名（ccTLD）：按国家 / 地区划分，如
cn（中国）、uk（英国）、hk（香港）等（2 个字母）。 - arpa 域：专用技术域，用于反向解析（
in-addr.arpa对应 IPv4，ip6.arpa对应 IPv6）。
- 通用顶级域名（gTLD）：按组织类型划分，如
- 次级域（二级域）：由顶级域授权，对应具体组织 / 机构（如
edu.cn下的njust.edu.cn）。 - 子域：次级域进一步划分的子空间（如
net.njust.edu.cn）。 - 主机名：最底层，标识具体主机（如
serv在serv.njust.edu.cn中）。
9.2.2 域与区域的区别
- 域：树形结构中的完整子树（如
njust.edu.cn）。 - 区域（Zone）：DNS 服务器的管理单元，可是域的一部分或完整域（如
njust.edu.cn的服务器可能只管理net.njust.edu.cn子域）。
9.3 DNS 服务器
DNS 服务器是存储域名 - IP 映射信息、响应解析请求的核心设备，按功能分为三类：
| 服务器类型 | 功能 | 特点 |
|---|---|---|
| 主名字服务器 | 存储区域文件的原始版本，负责区域信息的修改 | 拥有唯一可写的区域文件，是区域的权威源 |
| 次名字服务器 | 从主服务器复制区域文件（只读），通过 “区域传输” 同步更新 | 提供冗余，减轻主服务器负载，增强可靠性 |
| 惟高速缓存名字服务器 | 无区域文件，缓存解析结果，非授权响应 | 通过缓存加速解析，启动后逐步积累信息，依赖 TTL（生存时间）刷新缓存 |
9.4 域名解析
域名解析是根据主机名查询 IP（正向）或根据 IP 查询主机名（反向）的过程，通过 DNS 服务器与客户端的交互完成。
9.4.1 解析类型
- 正向解析：域名→IP 地址（或其他资源记录）。
- 反向解析：IP 地址→域名，通过
in-addr.arpa域实现（IP 地址字节反转后拼接in-addr.arpa，如202.119.80.126→126.80.119.202.in-addr.arpa）。
9.4.2 解析方式
- 递归解析：
- 客户端向服务器发送请求，服务器必须返回最终结果（成功或失败），无需客户端进一步操作。
- 适用于客户端解析器（如用户主机）。
- 反复解析：
- 服务器若无法解析，返回可能能解析的服务器地址，客户端需向新服务器重复请求，直至获得结果。
- 适用于服务器之间的解析（如本地服务器查询根服务器）。
9.4.3 解析效率优化
- 两步解析：先查本地服务器，失败再自顶向下查询根服务器，平衡效率与层次管理。
- 高速缓存：服务器缓存解析结果，标注 TTL（生存时间），过期后删除，减少重复查询。
- 缓存有效性：非授权结果需注明来源，客户端可选择向授权服务器验证；TTL 确保缓存及时更新。
9.5 DNS 报文格式
DNS 请求与响应报文格式相同，由首部、问题部分、回答部分、授权部分、附加信息部分组成。
9.5.1 首部字段（12 字节）
| 字段 | 长度（比特） | 含义 |
|---|---|---|
| 标识 | 16 | 匹配请求与响应 |
| 标志 | 16 | 含多个子字段： - QR（1 比特）：0 = 请求，1 = 响应； - OpCode（4 比特）：0 = 标准查询，1 = 反向查询，2 = 服务器状态； - AA（1 比特）：1 = 授权服务器； - TC（1 比特）：1 = 报文被截断（超过 512 字节）； - RD（1 比特）：1 = 请求递归解析； - RA（1 比特）：1 = 服务器支持递归； - rCode（4 比特）：0 = 成功，3 = 域名不存在等 |
| 问题数 | 16 | 问题部分的记录数 |
| 回答数 | 16 | 回答部分的记录数（请求报文为 0） |
| 授权数 | 16 | 授权部分的记录数（请求报文为 0） |
| 附加数 | 16 | 附加信息部分的记录数（请求报文为 0） |
9.5.2 问题部分
由多个问题记录组成，格式为：
- 查询名：可变长，以 “长度 + 标号” 形式表示（如
serv.njust.edu.cn→4serv5njust3edu2cn0）。 - 查询类（16 比特）：1 = 因特网（IN）。
- 查询类型（16 比特）：指定查询的资源类型，如 A（IPv4）、AAAA（IPv6）、NS（名字服务器）等。
9.5.3 回答 / 授权 / 附加部分
由资源记录组成，格式为：
- 域名：可变长，支持压缩（以指针指向报文中重复域名，节省空间）。
- 类型（16 比特）：同查询类型。
- 类（16 比特）：同查询类。
- TTL（32 比特）：缓存生存时间（秒）。
- 资源数据长度（16 比特）：资源数据的字节数。
- 资源数据：根据类型不同，可为 IP 地址（A 记录）、域名（NS 记录）等。
9.6 DNS 资源记录
资源记录是 DNS 数据库的基本单元，存储域名与 IP（或其他信息）的映射，常用类型如下：
| 类型 | 代码 | 作用 | 语法示例 |
|---|---|---|---|
| A | 1 | 域名→IPv4 地址 | serv.njust.edu.cn. IN A 202.119.80.126 |
| AAAA | 28 | 域名→IPv6 地址 | host IN AAAA 2001:db8::1 |
| NS | 2 | 标识区域的授权服务器 | njust.edu.cn. IN NS serv.njust.edu.cn. |
| SOA | 6 | 授权开始，定义区域主服务器及参数 | @ IN SOA serv.njust.edu.cn. hostmaster.njust.edu.cn. ( serial refresh retry expire TTL )（@表示当前域） |
| CNAME | 5 | 定义主机别名 | www IN CNAME serv.njust.edu.cn.（www是serv的别名） |
| PTR | 12 | IP→域名（反向解析） | 126.80.119.202.in-addr.arpa. IN PTR serv.njust.edu.cn. |
| MX | 15 | 邮件交换服务器，含优先级（值越小优先级越高） | njust.edu.cn. IN MX 10 msrv.njust.edu.cn.（优先级 10 的邮件服务器） |
9.7 DNS 配置及数据库文件
以 BIND（Berkeley Internet Name Daemon）软件为例，DNS 服务器配置依赖以下文件：
9.7.1 配置文件（named.conf）
定义服务器管理的区域、文件路径等，示例：
directory "/etc/db"; # 其他文件路径
};
zone "." { # 根域type hint; # 根服务器信息file "named.cache";
};
zone "njust.edu.cn" { # 主区域type master; # 主服务器file "named.hosts"; # 正向查询文件
};
zone "80.119.202.in-addr.arpa" { # 反向区域type master;file "named.rev"; # 反向查询文件
};
9.7.2 Cache 文件（named.cache）
存储根域名服务器信息，用于初始化解析，示例：
. 3600000 IN NS A.ROOT-SERVERS.NET.
A.ROOT-SERVERS.NET. 3600000 IN A 198.41.0.4
# 其他根服务器记录...
9.7.3 正向查询文件（如 named.hosts）
存储域名→IP 映射，示例：
@ IN SOA serv.njust.edu.cn. hostmaster.njust.edu.cn. (1998030501 # serial（版本号）10800 # refresh（3小时，同步间隔）3600 # retry（1小时，重试间隔）604800 # expire（7天，过期时间）86400 # TTL（1天）
)
@ IN NS serv.njust.edu.cn. # 授权服务器
serv.njust.edu.cn. IN A 202.119.80.126 # 主机IP
www IN CNAME serv.njust.edu.cn. # 别名
njust.edu.cn. IN MX 10 msrv.njust.edu.cn. # 邮件服务器
9.7.4 反向查询文件（如 named.rev）
存储 IP→域名映射，示例（对应 202.119.80.0 网段）：
80.119.202.in-addr.arpa. IN SOA serv.njust.edu.cn. hostmaster.njust.edu.cn. (1998030501 # serial10800 # refresh3600 # retry604800 # expire86400 # TTL
)
@ IN NS serv.njust.edu.cn.
126 IN PTR serv.njust.edu.cn. # 202.119.80.126→serv
127 IN PTR msrv.njust.edu.cn. # 202.119.80.127→msrv
本章要点
- DNS 采用层次型命名机制，通过树形结构组织域名空间，实现主机名的全局唯一性和分散管理。
- 域名由根域、顶级域（gTLD/ccTLD/arpa）、次级域、子域和主机名构成，FQDN 包含完整路径。
- DNS 服务器分主服务器（原始区域文件）、次服务器（复制同步）、惟高速缓存服务器（缓存解析结果），使用 UDP/TCP 的 53 号端口。
- 解析方式包括递归（服务器返回最终结果）和反复（客户端多次请求），反向解析通过
in-addr.arpa域实现。 - DNS 报文含首部、问题、回答、授权、附加部分，资源记录是核心数据单元（如 A、NS、SOA、MX 等）。
- BIND 配置依赖 named.conf（区域定义）、cache 文件（根服务器）、正向 / 反向查询文件（映射记录）。