一文搞懂DNS协议是如何工作的!

DNS是计算机网络中的一个应用层协议,它用于域名解析:将域名地址解析成对应的IP地址。
那么他是如何进行域名解析的呢?下面就来一起了解一下吧~

查阅本文可以学习到一下知识:

  1. 域名解析过程与方法

  2. 域名解析方法

  3. DNS报文结构

  4. 实现一个简单的域名解析服务

域名组成

在开始之前,先介绍一下域名是怎么组成的

image.png

www.google.com为例,域名的读顺序是从右往左,右边com为顶级域名,googlewww则为标签(Label),com后的标签也称为二级域名

顶级域名 4

顶级域名可以告诉用户域名所提供的服务类型。最通用的顶级域名(.com, .org, .net)不需要web服务器满足严格的标准,但一些顶级域名则执行更严格的政策。比如

  • 地区的顶级域名,如.us,.fr,或.sh,可以要求必须提供给定语言的服务器或者托管在指定国家。这些TLD通常表明对应的网页服务从属于何种语言或哪个地区。
  • 包含.gov的顶级域名只能被政府部门使用。
  • edu只能为教育或研究机构使用。

顶级域名既可以包含拉丁字母,也可以包含特殊字符。顶级域名最长可以达到63个字符,不过为了使用方便,大多数顶级域名都是两到三个字符。

标签(Label)4

标签都是紧随着TLD的。标签由1到63个大小写不敏感的字符组成,这些字符包含字母A-z,数字0-9,甚至 “-” 这个符号(当然,“-” 不应该出现在标签开头或者标签的结尾)。

1.域名解析过程与方法

了解完域名的组成后,再来看DNS协议,DNS是一个基于UDP应用层协议。通过客户机-服务器的方式进行通信:也就是说,域名解析需要通过向服务器端发送请求,服务器端查询映射表或数据库后返回对应的IP地址给客户机(如图)。

image.png

DNS服务是按层次结构来检索域名的。

为什么需要使用层次结构呢?假设我们只有根域名服务器,那么全球所有的DNS解析都会涌入该服务器,这样做服务器的压力会非常大。

DNS层次结构如图所示

image.png

域名服务器分为4种:

  • 根域名服务器:根域名服务器存储所有已经记录的域名,但是根域名服务器很少,只有几个。
  • 顶级域名服务器:记录顶级域名下的所有域名,比如:com的顶级域名服务器会记录所有顶级域名为com的域名。
  • 权威域名服务器: 负责一个区域的DNS解析的域名服务器。
  • 本地域名服务器: 运行在本地的一个域名服务,用于向其他域名服务器请求解析的服务。

递归解析与迭代解析

域名解析流程:

在向DNS请求之前,本地域名服务器会先查询指定的域名是否有缓存,如果有且未过期,则立即返回。
如果没有,则向用户定义好的域名服务器查询。如下图

image.png

上面,我们也说到:DNS服务器是一个层级结构,多个域名服务器分布在不同的地方,但每次请求只能请求一个服务器。如果请求的域名服务器没有记录该域名对应的IP,那么他应该怎么向下一个域名服务器查询呢?

DNS查询提供了两种方法:迭代查询递归查询

递归查询

顾名思义,递归查询会在域名服务器查询记录的时候,继续向该域名服务器指定的下一级域名服务器查询,直到根域名服务器为止。

image.png

迭代查询

迭代查询在没有查询到对应的记录时,会将下一个可查询的域名服务器地址返回到本地域名服务器,由本地域名服务器重新发起请求查询,直到根域名服务器为止。

image.png

2.DNS报文结构

接下来查看一下DNS请求发送过来的报文数据是怎样的,首先我们创建一个UDP服务监听本地的53端口。然后在网络中设置DNS服务器指向本机的域名。

请求报文

首先分析一下DNS请求报文,为了方便查看,我们写一个DNS服务,去捕捉DNS请求

  • 修改一下DNS解析的地址
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  • 建立一个UDP服务,监听53端口

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    const dgram = require('dgram');
    const server = dgram.createSocket('udp4');

    server.on('error', (err) => {
    console.log('server error:', err.message);
    server.close();
    });

    server.on('message', (msg, rinfo) => {
    try {
    const dnsJson = JSON.parse(JSON.stringify(msg));
    const dnsData = Array.from(dnsJson.data);
    console.log(dnsData)
    } catch {}
    });

    server.on('listening', () => {
    const address = server.address();
    console.log(`server listening at ${address.port}`);
    });

    server.bind(53);

    运行服务后在命令行工具中 ping一下baidu.com;

image.png

可以看到DNS解析的请求报文已经在node服务中打印出来了

image.png

将他们转换为8位二进制数。

image.png

再来对照一下DNS报文结构。

image.png

  • 事务ID:占两字节,对应16个二进制位,作用是作为请求的标识,即在数组中前两个数
    10001010 01110110

  • 标志位:占两字节,16个二进制位,每一个二进制位都有其作用,每个标志位按顺序说明如下
    00000001 00000000

    标志 作用
    QR(1bit) 查询(Query)/响应(Response)标志,0为查询,1为响应
    opcode(4bit) 表示操作码,0 表示标准查询;1 表示反向查询;2 表示服务器状态请求
    AA(Authoritative)(1bit) 授权应答,该字段在响应报文中有效。值为 1 时,表示名称服务器是权威服务器;值为 0 时,表示不是权威服务器。
    TC(Truncated)(1bit) 表示是否被截断。值为 1 时,表示响应已超过 512 字节并已被截断,只返回前 512 个字节
    RD(Recursion Desired)(1bit) 是否期望递归。0表示迭代查询,1表示递归查询
    RA(Recursion Available)(1bit) 是否支持递归。该字段只出现在响应报文中。当值为 1 时,表示服务器支持递归查询
    ZERO(3bit) 表示保留字段
    rcode(Reply code)(4bit) 表示返回码,0表示没有差错,3表示名字差错,2表示服务器错误(Server Failure)
  • 问题计数,对应数组中第 5 - 12 个数

    字段 说明
    Questions(2字节)(查询问题数) 表示查询问题区域节的数量,在请求的时候一般为1
    Answer RRs(2字节)(回答RR数) 表示回答区域的数量,根据请求一般为1
    Authority RRs(2字节)(权威RR数) 表示授权区域的数量,一般为0
    Additional RRs(2字节) (附加RR数) 表示附加区域的数量一般为0
  • 正文部分(查询问题区域)
    接下来就是查询的正文部分,从请求报文第16个数开始到结束都属于正文部分。
    正文部分包含三个字段:查询名(域名)查询类型查询类

    • 查询名
      包含域名的可变长度字段,每个域以计数开头,最后一个字符为0。(也会有IP的时候,即反向查询)
      image.png.

      以上文的请求来说,从第13位开始

5 98 97 105 100 117 3 99 111 109 0
长度 b a i d u 长度 c o m 结束
    比如,第一位为长度,后面5位则为`ASCII码`组成的字母,以此类推,直到标志位为0为止



    
* 查询类型,占2个数,16个二进制位.  
类型 助记符 说明
1 A 由域名获得IPv4地址,一般是这个
2 NS 查询域名服务器
5 CNAME 查询规范名称
6 SOA 开始授权
11 WKS 熟知服务
12 PTR 把IP地址转换成域名
13 HINFO 主机信息
15 MX 邮件交换
28 AAAA 由域名获得IPv6地址
252 AXFR 传送整个区的请求
255 ANY 对所有记录的请求
* 查询类,占2个数,16个位

响应报文

再来写一个转发dns请求的服务,用来获取DNS响应报文

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const dgram = require('dgram');
const server = '223.5.5.5'; //需要转发的DNS服务器
function forward(msg, rinfo) {
const client = dgram.createSocket('udp4');
client.on('error', (err) => {
console.log(`client error:` + err.stack);
client.close();
});
client.on('message', (fMsg, fbRinfo) => {
console.log(JSON.parse(JSON.stringify(fMsg.data))); //获取响应报文
// 转发
server.send(fMsg, rinfo.port, rinfo.address, (err) => {
err && console.log(err);
});
client.close();
});
client.send(msg, 53, fbSer, (err) => {
if (err) {
console.log(err);
client.close();
}
});
}

我们再ping一下baidu.com这个域名

dnsarticle_09.png

同样,我们把他转位二进制数据

WeChatWorkScreenshot_68c6c251-12c6-47d9-97cb-6b4f750f1aed.png

可以看到,第三,四个数(标志位)变为129,128,对应的二进制位为10000001 10000000
上文也说到,第一个二进制位为:QR查询(Query)/响应(Response)标志,1为响应,因此可以知道他是响应报文。
其余的前半部分与请求报文一致。后面多出来的部分则为响应的数据,即

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2
3
  [192,  12,   0,   1,   0,   1,   0,   0, 1,
103, 0, 4, 220, 181, 38, 148, 192, 12, 0, 1, 0,
1, 0, 0, 1, 103, 0, 4, 220, 181, 38, 251]
  • 偏移量(2字节)

    其中[192,12]是一个(2字节)指针,一般响应报文中,资源部分的地址(域名)一般都是指针C00C(1100000000001100),偏移量是12,指向请求部分的地址(域名)。

  • 资源记录的响应类型

    响应类型,也就是后面的[0,1],含义与查询问题部分的类型相同

  • 资源记录的响应类

    响应类,也就是后面的[0,1],含义与查询问题部分的类相同

  • 生存时间(4字节)

    接下去的是[0, 0, 1, 103],以秒为单位,表示的是资源记录的生命周期,可以理解为获取到的资源记录的缓存时间

  • 资源长度

    资源长度是[0, 4],ipv4是00 04

  • 资源数据

    资源数据是可变长度的字段,在这里我们拿它来指向IP地址,例如上文例子为:[220, 181, 38, 148]

后面又从[192, 0]开始,表示改域名能解析出多个IP地址

至此,DNS的请求报文与响应报文都已介绍完。

4.实现一个简单的域名解析服务

最后,让我们来做一个属于自己的DNS服务器吧~

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const dgram = require('dgram');
const server = dgram.createSocket('udp4');
const dns = require('dns');
dns.setServers(['223.5.5.5']);
/** 自定义解析的域名 */
let translateObj = {
'test.bbbbb.com': [220, 181, 38, 148],
};

/** 解析域名 */
function explainDomain(dnsArr) {
let arr = [];
let queryType = []; // 查询类型
let queryClass = []; // 查询类
let len = 0;
while (dnsArr.length) {
if (dnsArr[0] === 0) {
dnsArr.splice(0, 1);
queryType = dnsArr.splice(0, 2);
queryClass = dnsArr.splice(0, 2);
} else {
if (len === 0) {
len = dnsArr.splice(0, 1);
} else {
arr = arr.concat(dnsArr.splice(0, len), [46]);
len = 0;
}
}
}
arr.pop();
return {
domain: arr.map((val) => String.fromCharCode(val)).join(''),
queryType,
queryClass,
};
}

/** 构造响应报文 */
function createResponse(requestArr, ip) {
const response = new ArrayBuffer(requestArr.length + 16);
const resArr = [192, 12, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 218, 0, 4].concat(ip);
let bufView = new Uint8Array(response);
for (let i = 0; i < requestArr.length; i++) bufView[i] = requestArr[i];
for (let i = 0; i < resArr.length; i++) {
bufView[requestArr.length + i] = resArr[i];
}
// 将请求报文变为响应报文
bufView[2] = 129;
bufView[3] = 128;
bufView[7] = 1;
return bufView;
}

server.on('error', (err) => {
console.log('server error:', err.message);
server.close();
});

server.on('message', (msg, rinfo) => {
try {
const dnsJson = JSON.parse(JSON.stringify(msg));
const dnsData = Array.from(dnsJson.data);
let target = dnsData.splice(0, 2); // 会话标识(2字节)
let flag = dnsData.splice(0, 2); // 标志(2字节)
let data = dnsData.splice(0, 8); // 数量字段(共8字节)
let domainData = explainDomain(dnsData);
// 查找是否有自定义的域名
if (translateObj[domainData.domain]) {
/** 构造响应报文 */
const responseArr = createResponse(
dnsJson.data,
translateObj[domainData.domain]
);
server.send(responseArr, rinfo.port, rinfo.address, (err) => {
if (err) {
console.log('send error', err);
server.close();
}
});
// 没有自定义的域名,则使用其他DNS服务解析域名
} else {
dns.resolve(domainData.domain, (err, address) => {
if (err) {
console.log('dns lookup err', err);
return;
}
if (!address.length) return;
console.log(domainData.domain, address);
const responseArr = createResponse(
dnsJson.data,
address[0].split('.').map((val) => Number(val))
);
server.send(responseArr, rinfo.port, rinfo.address, (err) => {
if (err) {
console.log('send error', err);
server.close();
}
});
});
}
} catch {}
});

server.on('listening', () => {
const address = server.address();
console.log(`server listening at ${address.port}`);
});

server.bind(53);

运行服务后,我们ping一下自定义的域名test.bbbbb.com看一下是否有解析到对应的IP

image.png

小结

本文主要介绍了:

  • 域名的组成(顶级域名,二级域名)
  • DNS服务架构(根域名服务器,顶级域名服务器,权威域名服务器,本地域名服务器)
  • DNS查询方法(递归查询,迭代查询)
  • DNS请求和响应报文
  • 使用node实现一个DNS服务

参考

  1. 计算机网络原理 机械工业出版社 2018
  2. DNS报文格式解析
  3. NodeJS编写简单的DNS服务器
  4. 什么是域名?