一文搞懂 DNS 基础知识,收藏起来有备无患~

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这是「进击的Coder」的第 435 篇技术分享
作者:多米诺
来源:https://juejin.cn/post/6844903497494855687

阅读本文大概需要 10 分钟。



DNS(Domain Name System), 也叫网域名称系统,是互联网的一项服务。它实质上是一个 域名 和 IP 相互映射的分布式数据库,有了它,我们就可以通过域名更方便的访问互联网。


DNS 有以下特点:

  • 分布式的

  • 协议支持 TCP 和 UDP,常用端口是 53

  • 每一级域名的长度限制是 63

  • 域名总长度限制是 253

那么,什么情况下使用 TCP,什么情况下使用 UDP 呢?

最早的时候,DNS 的 UDP 报文上限大小是 512 字节, 所以当某个 response 大小超过512 (返回信息太多),DNS 服务就会使用 TCP 协议来传输。后来 DNS 协议扩展了自己的UDP 协议,DNS client 发出查询请求时,可以指定自己能接收超过 512 字节的 UDP 包, 这种情况下,DNS 还是会使用 UDP 协议。

分层的数据库结构

DNS 的结构跟 Linux 文件系统很相似,像一棵倒立的树。下面用站长之家的域名举例:

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最上面的 . 是根域名,接着是顶级域名 com,再下来是站长之家域名 chinaz 依次类推。使用域名时,从下而上。s.tool.chinaz.com. 就是一个完整的域名,www.chinaz.com. 也是。

之所以设计这样复杂的树形结构, 是为了防止名称冲突。这样一棵树结构,当然可以存储在一台机器上,但现实世界中完整的域名非常多,并且每天都在新增、删除大量的域名,存在一台机器上,对单机器的存储性能就是不小的挑战。另外,集中管理还有一个缺点就是管理不够灵活。可以想象一下,每次新增、删除域名都需要向中央数据库申请是多么麻烦。所以现实中的 DNS 都是分布式存储的。

根域名服务器只管理顶级域,同时把每个顶级域的管理委派给各个顶级域,所以当你想要申请com下的二级域名时,找 com 域名注册中心就好了。例如你申请了上图的 chinaz.com 二级域名,chinaz.com 再向下的域名就归你管理了。当你管理 chinaz.com 的子域名时,你可以搭建自己的 nameserver,在 .com 注册中心把 chinaz.com 的管理权委派给自己搭建的nameserver。自建nameserver 和不自建的结构图如下:

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一般情况下,能不自建就不要自建,因为维护一个高可用的 DNS 也并非容易。据我所知,有两种情况需要搭建自己的 nameserver:

  1. 搭建对内的 DNS。公司内部机器众多,通过 IP 相互访问太过凌乱,这时可以搭建对内的 nameserver,允许内部服务器通过域名互通
  2. 公司对域名厂商提供的 nameserver 性能不满意。虽然顶级域名注册商都有自己的nameserver,但注册商提供的 nameserver 并不专业,在性能和稳定性上无法满足企业需求,这时就需要企业搭建自己的高性能 nameserver,比如增加智能解析功能,让不同地域的用户访问最近的 IP,以此来提高服务质量

概括一下 DNS 的分布式管理, 当把一个域委派给一个nameserver后,这个域下的管理权都交由此nameserver处理。这种设计一方面解决了存储压力,另一方面提高了域名管理的灵活性 (这种结构像极了Linux File System, 可以把任何一个子目录挂载到另一个磁盘,还可以把它下面的子目录继续挂载出去)

顶级域名

像 com 这样的顶级域名,由 ICANN 严格控制,是不允许随便创建的。顶级域名分两类:

  • 通用顶级域名

  • 国家顶级域名

通用顶级域名常见的如.com、.org、.edu等, 国家顶级域名如我国的.cn, 美国的.us。一般公司申请公网域名时,如果是跨国产品,应该选择通用顶级域名;如果没有跨国业务,看自己喜好(可以对比各家顶级域的服务、稳定性等再做选择)。这里说一下几个比较热的顶级域,完整的顶级域参见维基百科。

me
me顶级域其实是国家域名, 是黑山共和国的国家域名,只不过它对个人开发申请,所以很多个人博主就用它作为自己的博客域名(本博客也是这么来的~)

io
很多开源项目常用io做顶级域名,它也是国家域名。因为io 与计算机中的 input/output 缩写相同,和计算机的二机制10也很像,给人一种geek的感觉。相较于.com域名,.io下的资源很多,更多选择。

DNS 解析流程

聊完了 DNS 的基本概念,我们再来聊一聊 DNS 的解析流程。当我们通过浏览器或者应用程序访问互联网时,都会先执行一遍 DNS 解析流程。标准 glibc 提供了 libresolv.so.2 动态库,我们的应用程序就是用它进行域名解析(也叫 resolving)的, 它还提供了一个配置文件/etc/nsswitch.conf 来控制 resolving 行为,配置文件中最关键的是这行:

hosts:      files dns myhostname

它决定了 resolving 的顺序,默认是先查找 hosts 文件,如果没有匹配到,再进行 DNS 解析。默认的解析流程如下图:

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上图主要描述了 client 端的解析流程,我们可以看到最主要的是第四步请求本地 DNS 服务器去执行 resolving,它会根据本地 DNS 服务器配置,发送解析请求到递归解析服务器(稍后介绍什么是递归解析服务器), 本地 DNS 服务器在 /etc/resolv.conf 中配置。下面我们再来看看服务端的 resolving 流程:

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我们分析一下解析流程:

  1. 客户端向本地 DNS 服务器(递归解析服务器) 发出解析 tool.chinaz.com 域名的请求

  2. 本地 dns 服务器查看缓存,是否有缓存过 tool.chinaz.com 域名,如果有直接返回给客户端;

    如果没有执行下一步

  3. 本地 dns 服务器向根域名服务器发送请求,查询 com 顶级域的 nameserver 地址

  4. 拿到 com 域名的 IP 后,再向 com nameserver 发送请求,获取 chinaz 域名的 nameserver 地址

  5. 继续请求 chinaz 的 nameserver,获取 tool 域名的地址,最终得到了tool.chinaz.com 的 IP,本地 dns 服务器把这个结果缓存起来,以供下次查询快速返回

  6. 本地dns服务器把把结果返回给客户端

递归解析服务器 vs 权威域名服务器

我们在解析流程中发现两类 DNS 服务器,客户端直接访问的是 递归解析服务器, 它在整个解析过程中也最忙。它的查询步骤是递归的,从根域名服务器开始,一直询问到目标域名。
递归解析服务器通过请求一级一级的权威域名服务器,获得下一目标的地址,直到找到目标域名的权威域名服务器
简单来说:递归解析服务器是负责解析域名的,权威域名服务器是负责存储域名记录的
递归解析服务器一般由 ISP 提供,除此之外也有一些比较出名的公共递归解析服务器, 如谷歌的 8.8.8.8,联通的 114,BAT 也都有推出公共递归解析服务器,但性能最好的应该还是你的 ISP 提供的,只是可能会有 DNS 劫持的问题。



缓存

由于整个解析过程非常复杂,所以 DNS 通过缓存技术来实现服务的鲁棒性。当递归nameserver 解析过 tool.chianaz.com 域名后,再次收到 tool.chinaz.com 查询时,它不会再走一遍递归解析流程,而是把上一次解析结果的缓存直接返回。并且它是分级缓存的,也就是说,当下次收到的是 www.chinaz.com 的查询时, 由于这台递归解析服务器已经知道 chinaz.com 的权威 nameserver,所以它只需要再向 chinaz.com nameserver 发送一个查询 www 的请求就可以了。

根域名服务器递归解析服务器是怎么知道根域名服务器的地址的呢?根域名服务器的地址是固定的,目前全球有 13 个根域名解析服务器,这 13 条记录持久化在递归解析服务器中:

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为什么只有 13 个根域名服务器呢,不是应该越多越好来做负载均衡吗?之前说过 DNS 协议使用了 UDP 查询, 由于 UDP 查询中能保证性能的最大长度是 512 字节,要让所有根域名服务器数据能包含在 512 字节的 UDP 包中, 根服务器只能限制在 13 个, 而且每个服务器要使用字母表中单字母名

智能解析

智能解析,就是当一个域名对应多个 IP 时,当你查询这个域名的 IP,会返回离你最近的 IP。

由于国内不同运营商之间的带宽很低,所以电信用户访问联通的 IP 就是一个灾难,而智能 DNS 解析就能解决这个问题。

智能解析依赖 EDNS 协议,这是 google 起草的 DNS 扩展协议, 修改比较简单,就是在 DNS 包里面添加 origin client IP, 这样 nameserver 就能根据 client IP 返回距离 client 比较近的 server IP 了。

国内最新支持 EDNS 的就是 DNSPod 了,DNSPod 是国内比较流行的域名解析厂商,很多公司会把域名利用DNSPod 加速, 它已经被鹅厂收购。

域名注册商

一般我们要注册域名,都要需要找域名注册商,比如说我想注册 hello.com,那么我需要找 com 域名注册商注册 hello 域名。com 的域名注册商不止一家, 这些域名注册商也是从 ICANN 拿到的注册权, 参见如何申请成为 .com 域名注册商。

那么,域名注册商和权威域名解析服务器有什么关系呢?

域名注册商都会自建权威域名解析服务器,比如你在狗爹上申请一个 .com 下的二级域名,你并不需要搭建 nameserver, 直接在 godaddy 控制中心里管理你的域名指向就可以了, 原因就是你新域名的权威域名服务器默认由域名注册商提供。当然你也可以更换,比如从 godaddy 申请的境外域名,把权威域名服务器改成 DNSPod,一方面加快国内解析速度,另一方面还能享受 DNSPod 提供的智能解析功能

用 bind 搭建域名解析服务器

由于网上介绍 bind 搭建的文章实在太多了,我就不再赘述了, 喜欢动手的朋友可以网上搜一搜搭建教程,一步步搭建一个本地的 nameserver 玩一玩。这里主要介绍一下bind 的配置文件吧

bind 的配置文件分两部分: bind 配置文件 和 zone 配置文件

bind 配置文件

bind 配置文件位于 /etc/named.conf,它主要负责 bind 功能配置,如 zone 路径、日志、安全、主从等配置

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其中最主要的是添加 zone 的配置以及指定 zone 配置文件。recursion 开启递归解析功能, 这个如果是 no, 那么此 bind 服务只能做权威解析服务,当你的 bind 服务对外时,打开它会有安全风险,如果防御不当,会让你的 nameserver 被 hacker 用来做肉鸡。

zone 配置文件

zone 的配置文件在 bind 配置文件中指定,下图是一份简单的 zone 配置:

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zone的配置是 nameserver 的核心配置, 它指定了 DNS 资源记录,如 SOA、A、CNAME、AAAA 等记录,各种记录的概念网上资料太多,我这里就不重复了。其中主要讲一下 SOA 和 CNAME 的作用。

SOA记录

SOA 记录表示此域名的权威解析服务器地址。上文讲了权威解析服务器和递归解析服务器的差别, 当所有递归解析服务器中有没你域名解析的缓存时,它们就会回源来请求此域名的SOA记录,也叫权威解析记录

CNAME

CNAME 的概念很像别名,它的处理逻辑也如此。一个server 执行resloving 时,发现 name 是一个 CNAME, 它会转而查询这个 CNAME 的A记录。一般来说,能使用CNAME的地方都可以用A记录代替, 那么为什么还要发明 CNAME 这样一个东西呢?它是让多个域名指向同一个 IP 的一种快捷手段, 这样当最低层的 CNAME 对应的IP换了之后,上层的 CNAME 不用做任何改动。就像我们代码中的硬编码,我们总会去掉这些硬编码,用一个变量来表示,这样当这个变量变化时,我们只需要修改一处
配置完之后可以用 named-checkconf 和 named-checkzone 两个命令来check我们的配置文件有没有问题, 之后就可以启动 bind 服务了:
$> service named startRedirecting to /bin/systemctl restart  named.service

我们用 netstat -ntlp 来检查一下服务是否启动:

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53 端口已启动,那么我们测试一下效果, 用 dig 解析一下 www.hello.com 域名,使用127.0.0.1 作为递归解析服务器

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我们看到 dig 的结果跟我们配置文件中配置的一样是 1.2.3.4,DNS 完成了它的使命,根据域名获取到 IP,但我们这里用来做示范的IP明显是个假IP:)

用 DNS 实现负载均衡

一个域名添加多条A记录,解析时使用轮询的方式返回随机一条,流量将会均匀分类到多个 A 记录。
www     IN      A       1.2.3.4www     IN      A       1.2.3.5

复制代码上面的配置中,我们给 www 域添加了两条 A 记录, 这种做法叫 multi-homed hosts, 它的效果是:当我们请求 nameserver 解析 www.hello.com 域名时,返回的 IP 会在两个 IP 中轮转(默认行为,有些智能解析 DNS 会根据 IP 判断,返回一个离 client 近的 IP,距离 请搜索 DNS 智能解析)。

其实每次 DNS 解析请求时,nameserver都会返回全部IP,如上面配置,它会把1.2.3.4 和1.2.3.5 都返回给client端。那么它是怎么实现RR的呢?nameserver 只是每次返回的IP排序不同,客户端会把response里的第一个IP用来发请求。

DNS负载均衡 vs LVS专业负载均衡

和 LVS 这种专业负载均衡工具相比,在DNS层做负载均衡有以下特点:

  1. 实现非常简单

  2. 默认只能通过RR方式调度

  3. DNS 对后端服务不具备健康检查

  4. DNS 故障恢复时间比较长(DNS 服务之间有缓存)

  5. 可负载的 rs 数量有限(受 DNS response 包大小限制)

真实场景中,还需要根据需求选择相应的负载均衡策略

子域授权

我们从 .com 域下申请一个二级域名 hello.com 后, 发展到某一天我们的公司扩大了,需要拆分两个事业部A和B, 并且公司给他们都分配了三级域名  a.hello.com 和 b.hello.com, 域名结构如下图:

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再发展一段时间,A部门和B部门内部业务太多,需要频繁的为新产品申请域名, 这个时候他们就想搭建自己的 namserver,并且需要上一级把相应的域名管理权交给自己,他们期望的结构如下:

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注意第一阶段和第二阶段的区别:第一阶段,A 部门想申请 a.hello.com 下的子域名,需要向上级申请,整个 a.hello.com 域的管理都在总公司;第二阶段,A 部门先自己搭建 nameserver,然后总公司把 a.hello.com 域管理权转交给自建的 nameserver, 这个转交管理权的行为,就叫子域授权

子域授权分两部操作:

  1. A部门自建 nameserver,并且在 zone 配置文件中指定 a.hello.com 的权威解析服务器为自己的 nameserver 地址

  2. 总公司在 nameserver 上增加一条 NS 记录, 把 a.hello.com 域授权给 A 部门的 nameserver

第一步我们在用 bind 搭建域名解析服务器里讲过, 只要在 zone 配置文件里指定SOA记录就好:

@       IN     SOA      ns.a.hello.com    admin.a.hello.com. (……)复制代码

第二步,在 hello.com 域的 nameserver 上添加一条NS记录:

a.hello.com      IN       NS       ns.a.hello.comns.a.hello.com      IN      A        xx.xx.xx.xx (自建nameserver的IP)复制代码

这样当解析 xx.a.hello.com 域名时,hello.com nameserver 发现配置中有 NS 记录,就会继续递归向下解析

DNS 调试工具

OPS 常用的 DNS 调试工具有:host,nslookup,dig

这三个命令都属于 bind-utils 包, 也就是 bind 工具集,它们的使用复杂度、功能 依次递增。关于它们的使用, man 手册和网上有太多教程,这里简单分析一下dig命令的输出吧:

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dig 的参数非常多, 功能也很多,详细使用方法大家自行man吧

其他

DNS 放大攻击

DNS 放大攻击属于DoS攻击的一种,是通过大量流量占满目标机带宽, 使得目标机对正常用户的请求拒绝连接从而挂掉。

思路

正常的流量攻击,hack 机向目标机建立大量 request-response,但这样存在的问题是需要大量的 hack 机器。因为服务器一般的带宽远大于家用网络, 如果我们自己的家用机用来做 hack 机器,还没等目标机的带宽占满,我们的带宽早超载了。

原理

DNS 递归解析的流程比较特殊, 我们可以通过几个字节的 query 请求,换来几百甚至几千字节的 resolving 应答(流量放大), 并且大部分服务器不会对DNS服务器做防御。那么 hacker 们只要可以伪装 DNS query 包的 source IP, 从而让 DNS 服务器发送大量的 response 到目标机,就可以实现 DoS 攻击。

但一般常用的 DNS 服务器都会对攻击请求做过滤,所以找 DNS 服务器漏洞也是一个问题。详细的放大攻击方法大家有兴趣自行 google 吧,这里只做一个简单介绍 🙂


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End

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原文始发于微信公众号(进击的Coder):一文搞懂 DNS 基础知识,收藏起来有备无患~

链接:https://bbbe.top/archives/1239.html
来源:随风的博客
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