提起 DNS，大家都知道是将域名映射成 IP 的一种协议。但是我花了很长时间才真正理解这个“映射”的过程。网上有很多介绍 DNS 的资料，但是遗漏了很多细节，比如都跨过了哪一些缓存，谁去真正发出查询的 packet。我们电脑要配置 DNS 服务器，如果你有网站的话，你会发现你的网站也有一个配置项叫 DNS 解析服务器，这两种服务器是一样的吗？还有一些图和资料是错误的，比如有些图画的是根域名服务器指向权威域名服务器，给人造成一种错觉是根服务器去查询了权威服务器。
本文试图用简单并且准确的图片和文字解释 DNS 查询的过程，以及一些我曾经有的困惑。如果有何 RFC 冲突的地方那肯定是我错了，请指正。
首先介绍一个 DNS，说白了它就是一个名字到 IP 的映射，因为像 64.202.189.170 这样的 IP 太难记了，所以就有了 DNS 这样的东西，好比是一个电话本，我们打电话（访问网页）的时候，就查一下这个名字（网络地址）对应什么样的 IP，然后拨出去。
如果你有很多联系人的话，查号码的时候肯定不会一个一个看，一般会在手机上下拉到这个字母姓氏的地方，然后再定位到这个人的名字。DNS 也是一样，全球已经有上千万个域名了，并且还在实时的变动和更新，所以DNS就采取了一种“分层”的查询。要查询 www.kawabangga.com 这个域名对应的 IP，实际上查询的是 www.kawabangga.com. 最后这个 . 就是 root nameserver，平时我们都省略了，其实这个才是一切开始的地方。
Recursive resolver（下面会讲到这是啥）只知道 . 的地址（一共13个IP），这就够了。当它查询一个域名的时候，它就去 root nameserver 查询，大体的步骤如下：
- 向
.root nameserver 发出查询请求，root nameserver 说，“我也不知道 www.kawabangga.com. 这个域名的地址，但是我知道 .com nameserver 的地址。Root Name Server 是怎么知道所有顶级域名的地址呢？因为它就是干这个的，Root Name Server 维护了所有顶级域名对应的地址，这个文件可以在 https://www.internic.net/domain/root.zone 这里下载。现在是 2019 年3月，这个文件是 2万多行，一共2.15M 。 - .com Name Server 这种域名是最顶层的域名，所以叫做顶级域名，Top Level Domain Name Server，TLD Name Server。因为……它在最顶层。.com 域名服务商也就叫做顶级域名服务商，其他有名的顶级域名还有 .org .gov .cn 等。TLD nameserver 这里其实也不知道 www.kawabangga.com. 的 IP 地址，但是它知道 kawabangga.com. 的 nameserver 的地址。
- kawabangga.com. 的 Name Server 也叫做 Authoritative Name Server，通常翻译成“权威域名服务器”，但是我更喜欢叫他“被授权的域名服务器”，为什么呢？因为……它是被 .com 域名服务器授权的。上一步，TLDName Server 怎么知道 kawabnagga.com. 的Name Server 在哪里的呢？因为你注册一个域名的时候，本质上是花钱购买 xxx.com. 这个权威域名服务器的管理权益，你把钱给域名注册商，域名注册商告诉 .com. TLD Name Server 说，hey 以后把 xxx.com. 这个域名交给 xxx 域名服务器来解析就好啦！于是你就获得了这个域名的解析权利。kawabangga.com. 的 Authoritative Name Server 地址是 ns1.myhostadmin.net. 当 Recursive resolver 过来查询 www.kawabangga.com. 的地址的时候，ns1.myhostadmin.net. 会告诉它对应的IP。到这里，一次查询就宣告结束了。
这三种 Name Server 的职责都很明确：Root Name Server 负责维护全球顶级域名的地址；TLD Name Server 负责维护每一个购买了域名的人提交的他们的 Name Server 地址；Authoritative Name Server 由域名的持有人自己想怎么解析就怎么解析。但是一般的机构和个人都不会自己假设域名服务器，因为可能子域名的需求不多，比如本博客，就3个子域名而已，所以会选择使用一个公共的 DNS 解析服务，比如 DNSPod。域名注册商现在一般也都提供域名解析服务，CDN 像 CloudFlare 也会有域名解析的服务。像大型网站自己假设解析服务器，一般会使用 BIND 这个很流行的软件。当然也有自己研发 DNS 解析服务的。
下面我们再解释一下上面提到的 Recursive Resolver，有的地方叫 Resolving Name Server，意思就是解析 DNS 的 Server。以上的查询工作都由它来完成。
为什么呢？首先 DNS 设计的第一目的就是要快，这是非常基础的设施，所以必须要非常快。但是再快，全世界这么大的量也扛不住啊，并发高？加缓存！DNS 是层层缓存的。缓存有一个经典的问题就是，贵的缓存比较快。这里的贵不一定是价格贵。你在浏览器访问 www.kawabangga.com 的时候，至少经过了浏览器对 DNS 的缓存、电脑对 DNS 的缓存，路由器对 DNS 的缓存…… 浏览器的DNS缓存肯定最快，但是无法跟其他应用共享，如果每个应用都缓存的话，占用的空间就太大了。路由器上面的缓存可以给多台电脑共享，一般又是在本地，所以理所应当的做了最多的缓存。
如果在终端使用 dig 命令，会发现DNS的结果都是路由器给出的。
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
;; ANSWER SECTION: kawabangga.com. 3600 IN NS ns1.myhostadmin.net. kawabangga.com. 3600 IN NS ns2.myhostadmin.net. kawabangga.com. 3600 IN NS ns3.myhostadmin.net. kawabangga.com. 3600 IN NS ns4.myhostadmin.net. kawabangga.com. 3600 IN NS ns5.myhostadmin.net. kawabangga.com. 3600 IN NS ns6.myhostadmin.net. ;; Query time: 271 msec ;; SERVER: 192.168.1.1#53(192.168.1.1) ;; WHEN: Sun Mar 24 23:32:25 CST 2019 ;; MSG SIZE rcvd: 166 |
在这里，路由器就是开放了53端口，来提供DNS查询服务。它就是 Resolving Name Server，每次查询请求发过来，它检查自己的内存是否有答案，如果没有，就执行上述的查询过程。所以当我们执行 DNS 查询的时候，抓包会发现发出了一个包到路由器53端口，收到了一个回到，查询就结束了，还奇怪怎么和书上写的查询过程不一样呢？其实完整的查询过程是在 Resolving Name Server 上面做的。
当然，一个 Resolving Name Server 并不复杂。如果我们在执行 dig 命令的时候，带上 +trace 标志，dig 就会作为 Resolving Name Server 的角色从 . 开始查询直到查询到最后的答案。
CloudFlare 提供了一个很有名的 DNS 服务，1.1.1.1，这其实也是 Resolving Name Server，dig 命令可以使用 @1.1.1.1 的方式来指定。系统也可以设置 DNS 解析地址（现在你明白这个设置是什么意思了吧）。基本上需要网络的设备都可以设置这个DNS服务地址，比如 PS4，电视盒子。很多玩家知道设置成韩国的DNS服务地址玩游戏有时候会更快一些，原理就是这样，DNS是一个基础的服务，你离Resolving Name Server更近了，解析的也就更快了。Resolving Name Server 缓存的命中率高，也就更快，否则的话Resolving Name Server执行起来查询的过程也是耗费时间的。
参考资料
- How the Domain Name System (DNS) Works
- https://miek.nl/2013/november/10/why-13-dns-root-servers/
- DNS explained