Linux 中的 DNS 工作原理（一）：从 getaddrinfo 到 resolv.conf
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当我们在浏览器中输入服务器名称或网站域名、执行 ping 命令或启动任何远程应用程序时，操作系统必须将这些名称转换为 IP 地址。这个过程称为域名解析。乍一看，它可能很简单，但其背后却隐藏着一个多层机制。
本文是系列文章的第一篇，专门探讨名称解析的底层架构。我们将讨论 Linux 内核中名称解析过程的构成、各种 C 库以及系统调用。
许多人都知道，Linux 中的名称解析过程不仅仅是一次“ DNS 调用”，而是一系列库、配置条目和调用，这些库、配置条目和调用取决于特定应用程序的实现、所使用的库类型和系统设置。
然而，工程师们仍然有一些疑问。例如，DNS 服务器地址更改后，应用程序是否需要重启？此外，为了诊断应用程序和系统中的错误、超时和其他名称解析问题，了解从 getaddrinfo() 到 resolv.conf 的整个流程至关重要。在本节中，我们将尝试逐层分解，并以简洁易懂的格式提供基础框架。
冰山一角
几乎所有现代 Linux 应用程序（从 curl 到 systemd）都使用标准 C 库（glibc 或 musl）中的getaddrinfo()函数。该函数的主要功能是根据设置和请求将域名转换为 IP 地址（A、AAAA 记录）。
它不仅执行 DNS 查询，还能处理其他类型的数据，例如服务名称。例如，它使用 /etc/services 将网络服务名称“http”转换为端口 80。这使得它成为一个多功能的网络应用工具。
getaddrinfo() 函数返回一个 addrinfo 结构列表，每个结构包含一个 IP 地址、套接字类型、协议和其他参数。这允许应用程序选择最合适的地址进行连接。
伪代码中使用 getaddrinfo() 的示例：
```
struct addrinfo hints, *res;
zero_memory(hints);
hints.ai_family = ANY_FAMILY;
hints.ai_socktype = TCP;err = getaddrinfo("example.com", "http", hints, &res);
if (err == 0) {for each addr in res:use(addr)freeaddrinfo(res);
} else {print(gai_strerror(err));
}```然而，getaddrinfo() 只是冰山一角。为了获取 IP 地址，它会调用系统配置数据中定义的一系列内部机制。其中之一就是 NSS（名称服务切换）。
NSS 是通过可加载模块（符合 glibc API 的动态库，例如 libnss_dns.so、libnss_files.so、libnss_myhostname.so 等）实现的。这些模块以插件的形式运行，由 glibc 库在运行时加载，负责特定的 IP 地址解析方法。用于名称解析的源顺序和集合在 /etc/nsswitch.conf 配置文件中指定。
nsswitch.conf内容示例：
# /etc/nsswitch.confpasswd: files systemd
group: files systemd
shadow: files
gshadow: fileshosts: files dns myhostname
networks: filesprotocols: db files
services: db files
ethers: db files
rpc: db filesnetgroup: nis例如，模块中包含“ hosts: files dns”的一行表示首先在本地 /etc/hosts 文件中查找匹配项，如果文件模块返回结果，则不会调用后续模块（例如 dns（执行 DNS 查找））。
因此，如果 nsswitch.conf 中的 hosts 行未提及 dns 模块，则包含访问 DNS 源设置的 resolv.conf 配置文件将被忽略，并且不会生成 DNS 查询。
NSS 还可以使用 mdns（用于 Zeroconf/Avahi）、nis（在旧系统中）和 myhostname 模块。
myhostname 模块是 systemd 的一部分，用于解析本地主机名。在 Alpine Linux 等极简系统上，它并不总是存在。
库
以下库是 Linux 生态系统的核心，为应用程序提供一组特定的功能，包括域名解析。
Glibc是 C 标准库最广泛使用的实现，它实现了诸如 getaddrinfo() 之类的高级函数。它与 NSS（名称服务交换机）交互以确定名称解析源（例如 /etc/hosts、DNS），并使用 libresolv 库执行 DNS 查询。
Glibc 可以使用 sendto 和 recvfrom 等系统调用通过 UDP 或 TCP 发送和接收 DNS 查询。它在大多数 Linux 发行版（Ubuntu、Debian、Fedora 等）中被广泛使用。
Musl是一个替代的标准 C 库，其设计考虑了极简主义、性能和 POSIX 兼容性。它用于 Alpine Linux 等轻量级发行版。
Musl 直接实现域名解析，无需使用 NSS。它读取 /etc/hosts 和 /etc/resolv.conf 文件并发送 DNS 查询，无需使用 libresolv 等外部库。然而，musl 对某些 resolv.conf 参数（例如轮换或复杂搜索）的支持有限。
Libresolv.so是 glibc 的一部分，实现低级 DNS 处理，执行诸如 res_query() 和 res_send() 之类的查询，但可以在某些应用程序中独立使用，例如 nslookup（允许直接执行 DNS 查询，绕过标准名称解析机制）。
当 NSS 指定 DNS 访问时，glibc 使用 Libresolv 执行 DNS 查询。它读取 /etc/resolv.conf 文件，生成 DNS 数据包，并通过 UDP 或 TCP 将其发送到指定的服务器。
值得注意的是，某些应用程序（例如用 Go 编写的应用程序）可能会完全绕过 glibc/musl 并使用自己的 DNS 解析器。
如何处理 resolv.conf
/etc/resolv.conf 文件包含基本的 DNS 客户端设置，即服务器列表、参数和搜索域。例如：
nameserver 192.168.1.1
search dev.local
options timeout:2 attempts:3如果有必要，Glibc 和 libresolv 会手动解析它。
要点和限制：
- rotate、ndots、timeout 和 attempt 等选项会影响请求的行为；
- rotate 选项用于从名称服务器列表中循环服务器，但 musl 不支持该选项；
- 搜索用于自动完成，例如，如果名称 db01 不是 FQDN，则搜索指令中的域将依次替换它。
需要注意的是，DHCP 客户端、NetworkManager 或 resolvconf 实用程序可能会动态修改 resolv.conf 文件，这在排除 DNS 问题时可能会造成混乱。我们将在以后的文章中讨论这个问题。
res_query() 做什么？
这是 libresolv 中的一个函数，在名称解析过程中内部调用。它手动构造一个 DNS 数据包并将其发送到 resolv.conf 中指定的 DNS 服务器。nslookup 等实用程序以及一些绕过 getaddrinfo() 的程序都会用到它。
该函数使用 res_send() 通过 UDP 发送 DNS 查询，并在必要时切换到 TCP，例如在接收到大于 512 字节的响应时。
重要提示：使用 res_query() 时，您不会从 /etc/hosts、NSS 或其他来源获取信息。这是一个纯 DNS 查询。因此，dig 或 nslookup 可能会返回一个结果，而 ping 或 curl 等则会返回完全不同的结果。
Res_query() 被视为已弃用函数，不建议使用。为了更方便、更安全地访问 DNS，最好使用 getaddrinfo() 或 c-ares 或 libdns 等库。
c-ares 是一个用于异步 DNS 查询的轻量级库，常用于高负载应用程序（例如 curl 和 Node.js）。
libunbound（来自 Unbound 项目）是一个更强大的库，具有 DNSSEC 支持和灵活的查询定制。
请求执行顺序和优先级
以下是Linux 上使用 glibc 和 NSS 的典型名称解析顺序：
1.应用程序调用getaddrinfo()；
2. getaddrinfo() 访问NSS系统，并按照nsswitch.conf中指定的顺序进行；
3. 如果首先指定了文件模块，则在/etc/hosts文件中查找名称；
4. 如果启用了 dns 模块，NSS 将调用 libnss_dns.so，后者调用来自 libresolv 的函数；
5. libresolv通过res_query()生成DNS查询，并使用res_send()将其发送到resolv.conf中指定的DNS服务器地址，然后接收并返回IP地址。
Linux 中使用 glibc 进行名称解析的简化方案。此方案演示了基本路径，但也可以使用 NSS 中的其他源。源 (files/dns) 的顺序在 /etc/nsswitch.conf 中配置。现代系统也可能使用 DNS 缓存 (systemd-resolved、nscd)。
重要提示：如果在某个步骤中找到了名称（例如在主机中），则不会使用后续来源。
在带有 musl 的 Alpine Linux 等极简系统上，顺序可能会有所不同，因为 musl 不使用 NSS 而是通过读取 /etc/hosts 和 resolv.conf 本身直接实现 DNS 查询。
一些应用程序和语言（例如Go、Java、Node.js）可能会使用自己的DNS解析器，完全忽略系统设置。
作为示例，让我们分析一下 curl 实用程序的操作。
团队：
strace -f -e trace=network curl -s download.astralinux.ru > /dev/null
socket(AF_INET6, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP) = 3
socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, [3, 4]) = 0
socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, [5, 6]) = 0
strace: Process 283163 attached
[pid 283163] socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM|SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK, 0) = 7
[pid 283163] connect(7, {sa_family=AF_UNIX, sun_path="/var/run/nscd/socket"}, 110) = -1 ENOENT (Нет такого файла или каталога)
[pid 283163] socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM|SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK, 0) = 7
[pid 283163] connect(7, {sa_family=AF_UNIX, sun_path="/var/run/nscd/socket"}, 110) = -1 ENOENT (Нет такого файла или каталога)
[pid 283163] socket(AF_INET, SOCK_DGRAM|SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_IP) = 7
[pid 283163] connect(7, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("172.24.31.107")}, 16) = 0
[pid 283163] sendmmsg(7, [{msg_hdr={msg_name=NULL, msg_namelen=0, msg_iov=[{iov_base="\250\207\1\0\0\1\0\0\0\0\0\0\10download\nastralinux"..., iov_len=40}], msg_iovlen=1, msg_controllen=0, msg_flags=0}, msg_len=40}, {msg_hdr={msg_name=NULL, msg_namelen=0, msg_iov=[{iov_base="\240\215\1\0\0\1\0\0\0\0\0\0\10download\nastralinux"..., iov_len=40}], msg_iovlen=1, msg_controllen=0, msg_flags=0}, msg_len=40}], 2, MSG_NOSIGNAL) = 2
[pid 283163] recvfrom(7, "\250\207\201\200\0\1\0\1\0\0\0\0\10download\nastralinux"..., 2048, 0, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("172.24.31.107")}, [28->16]) = 56
[pid 283163] recvfrom(7, "\240\215\201\200\0\1\0\0\0\1\0\0\10download\nastralinux"..., 65536, 0, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("172.24.31.107")}, [28->16]) = 114
[pid 283163] sendto(6, "\1", 1, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 1
[pid 283163] +++ exited with 0 +++
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 5
setsockopt(5, SOL_TCP, TCP_NODELAY, [1], 4) = 0
setsockopt(5, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, [1], 4) = 0
setsockopt(5, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, [60], 4) = 0
setsockopt(5, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, [60], 4) = 0
connect(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(80), sin_addr=inet_addr("130.193.50.59")}, 16) = -1 EINPROGRESS (Операция выполняется в данный момент)
getsockopt(5, SOL_SOCKET, SO_ERROR, [0], [4]) = 0
getpeername(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(80), sin_addr=inet_addr("130.193.50.59")}, [128->16]) = 0
getsockname(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(48488), sin_addr=inet_addr("172.24.31.241")}, [128->16]) = 0
sendto(5, "GET / HTTP/1.1\r\nHost: download.a"..., 86, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 86
recvfrom(5, "HTTP/1.1 200 OK\r\nServer: nginx/1"..., 102400, 0, NULL, NULL) = 1617我们在这条 strace 中看到了什么？
1. 尝试使用 NSCD（名称服务缓存守护进程）
connect(..., "/var/run/nscd/socket", ...) = -1 ENOENT这意味着，glibc 首先会尝试使用 NSCD 中的名称缓存（如果 NSCD 正在运行）。如果系统中不存在该缓存，则请求将继续进行。
2. 调用socket()和connect()连接到DNS服务器
socket(AF_INET, SOCK_DGRAM|..., IPPROTO_IP) = 7
connect(7, ..., sin_addr=inet_addr("172.24.31.107")...)这将创建一个 UDP 套接字来联系 /etc/resolv.conf 中指定的 DNS 服务器。
3. 调用 sendmmsg() – 发送 DNS 查询
sendmmsg(7, [ { "download.astralinux.ru" }, { "download.astralinux.ru" } ], ...)名称解析请求发送到这里。
4. DNS响应
recvfrom(...) = 56
recvfrom(...) = 114现在 IP 地址已知了。
56 是包含 A 记录（IPv4 地址）的 DNS 响应的大小（以字节为单位）
114 - 附加数据的大小，例如 CNAME 或递归查询时的权威服务器。
5. IP 上的 TCP 连接
connect(5, ..., sin_addr=inet_addr("130.193.50.59"))这里 curl 本身与 getaddrinfo() 返回的 IP 地址建立了 TCP 连接。
因此，当我们调用 curl 时，我们无法直接看到 DNS 查询——它们是由 glibc 库在 getaddrinfo() 调用中执行的。但 strace 允许我们看到间接的迹象：
这些调用将包括尝试连接到 nscd、调用 DNS 服务器的 connect()、通过 sendmmsg() 发送 UDP 数据包，然后通过 IP 连接建立标准 TCP：
connect(7, {AF_INET, 172.24.31.107:53}) = 0
sendmmsg(7, [{ "download.astralinux.ru" }]) = 2
recvfrom(7, ...) = ...
connect(5, {130.193.50.59:80}) = 0需要注意的是，getaddrinfo() 的行为可能取决于 libc 的实现。例如，在 glibc 中，结果可能会被缓存，这会影响性能和数据新鲜度。
简要总结和要点
Linux 中的 DNS 查询不一定是向 DNS 服务器发出的请求。查询链可以包括主机、NSS、glibc 和其他来源。
NSS 和 nsswitch.conf 定义名称解析的顺序和来源。
glibc 使用 NSS 并可以缓存结果；musl直接实现 DNS 解析，但对 resolv.conf 选项的支持有限。
Resolv.conf控制解析器设置，但可以动态更改。
Getaddrinfo()是名称解析的主要接口，处理 DNS 和其他来源。
不同的编程语言（Go、Java、带有 dns.resolver 的 Python、Node.js）可能使用自己的 DNS 查询机制。
在下一节中，我们将概述DNS 记录缓存的工作原理——这是一种在 IP 地址发生变化时直接影响应用程序性能、可靠性和行为的关键机制。