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

以www.google.com为例，域名的读顺序是从右往左，右边com为顶级域名，google和www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的应用层协议。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)。

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

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

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：迭代查询和递归查询

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。

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。

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
  

• 建立一个UDP服务，监听53端口

  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;

可以看到DNS解析的请求报文已经在node服务中打印出来了

将他们转换为8位二进制数。

再来对照一下DNS报文结构。

• 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)，查询类型和查询类

  • 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)
    .

    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

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

同样，我们把他转位二进制数据

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

  [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～

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

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？