我曾经也当过学生，现在回想起来，会发现，学生时代的男生记忆力贼好，他们总能记住一串复杂神秘的字母数字串域名，有些大神甚至能直接敲IP上网。
在每个翻校墙去网吧的夜晚，你总能发现他们会在某个论坛里寻找开源学习资料，完事还不忘在页面底下祝楼主好人一生平安。
原来那时候，他们就已经在学习互联网最重要的开源和分享精神。
每每想起，感动不已。
感动之余。
我们会发现这里面有几个值得一聊的技术性问题。
比如，为什么用域名和IP都能上网。
他们之间是什么关系。
往深了聊，我们可以聊到DNS的原理，以及它的设计有哪些是值得我们学习的。
今天的话题，我们从为什么要有DNS聊起。
为什么要有DNS
如果我们想要访问某度，你可以在浏览器上的搜索栏里输入112.80.248.76这个IP地址，直达页面。
通过IP访问网页
这样的行为，合法，但有病。
大部分人，连自己对象的电话号码都记不住，又怎么可能记得住这么一串IP地址呢。
哦，不好意思，伤害到兄弟们了，你们没对象。
但我假设你们有。
回想一下，虽然你记不住对象的电话号码，但却不影响你给她打电话。你的操作过程是不是打开通讯录，输入"富婆"，然后就弹出一个电话号码。点击即拨打。
在计算机领域，你大概率也记不住IP，所以也需要有类似的通讯录的功能。比如，你只需要输入www.baidu.com，它就能帮你找到对应的 112.80.248.76，然后进行访问。
用域名访问
其中www.baidu.com 是域名，通过这个域名可以获得它背后的IP是112.80.248.76。
就像一个人可以有多个电话号码一样，一个域名也可以对应有多个IP地址。
而将域名解析为IP的过程，也就是查"通讯录"的过程，其实就是DNS（Domain Name System，域名系统）协议需要做的事情。
另外需要注意的是，上面的这个IP地址，我写这篇文章的时候能访问，不代表大家看文章的时候能访问。因为这背后的IP地址是有可能变更的。可以通过使用
ping www.baidu.com获得最新的IP地址。
但问题就来了。
普通人的通讯录，一般有一千个电话号码就算是社交小达人了，放在通讯录里绰绰有余。
然而网站域名，却不一样，据说2015年的时候就已经超过3亿了。
如果将这3亿条记录都放在一个服务器里，会有两个问题。
- • 超过3亿条域名数据，数据量过大，并且数据量持续增加
- • 需要承受大量的读请求。每个网站域名都可能会有成千的访问。这加起来，四舍五入也有
千亿qps了。
显然，如果将DNS做成类似手机通讯录这样的单点服务，那是不可能实现这样的能力的，必须得是分布式系统。
于是，问题就变成了，如何设计一个支持千亿+qps请求的大型分布式系统。
我知道肯定有人要说："这是服务只有10qps的人该考虑的事情吗？"
虽然我们做的服务可能只有10qps，但这并不妨碍我们学习DNS里优秀的设计。
我们就从URL的层次结构聊起。
URL的层次结构
举个例子。一个常见的域名，比如 www.baidu.com。
可以看到，这个域名中间用了两个句点。通过句点符号，可以将域名分为三部分。
其中com被称为一级域或顶级域，其他常见的顶级域还有cn，co等，baidu是二级域，www则是三级域。
除此之后，在com后面，其实还有一个被省略掉的句点号。它叫根域。
域名的层次结构
当域名多起来了之后，将它们相同的部分抽取出来，多个域名就可以变成这样的树状层级结构。
层次结构
这时候我们就可以看到，这些域之间其实是一种层级关系，就像是学校，年级，班级那样。
当你想要去定位一个具体域名的时候，你就可以通过这样的层级找到对应的域名。
举个例子。大家应该还记得那句广告词，"三年级2班的李小明同学，你妈妈拿了两罐旺仔牛奶给你"，其实李小明的妈妈，就是通过，学校、年级、班级的层级形式，一层层找到人。
DNS的原理
我们重新回来看下大佬们是怎么设计DNS。
先直接说最重要的结论。
- • 利用层级结构去拆分服务
- • 加入多级缓存
接下来展开。
利用URL层级结构去拆分服务
DNS承载的流量压力非常大，必须要做成分布式服务，于是问题的关键就变成了如何拆分服务。
既然URL是树状的层级结构，那保存它们的服务，也可以依据这个，非常自然的拆成树状的形式。
一台服务器维护一个或多个域的信息。于是服务就变成了下面这样的层级形式。
当我们需要访问www.baidu.com。
查询过程就跟下图一样。
DNS查询过程
请求会先打到最近的DNS服务器（比如你家的家用路由器）中，如果在DNS服务器中找不到，则DNS服务器会直接询问根域服务器，在根域服务器中虽然没有www.baidu.com这条记录的，但它可以知道这个URL属于com域，于是就找到com域服务器的IP地址，然后访问com域服务器，重复上面的操作，再找到放了baidu域的服务器是哪个，继续往下，直到找到www.baidu.com的那条记录，最后返回对应的IP地址。
可以看到，原理比较简单，但这里涉及到两个问题。
- • 本机怎么知道最近的DNS服务器IP是什么？
- • 最近的DNS服务器怎么知道根域的IP是多少？
我们一个个来回答。
本机怎么知道最近的DNS服务器的IP是什么？
这个在之前写过的《刚插上网线，电脑怎么知道自己的IP是什么？》 提到过，插上网线时，机子会通过DHCP协议获得本机的IP地址，子网掩码，路由器地址，以及DNS服务器的IP地址。
DHCP协议
下面是我的mac机子，第二阶段DHCP Offer中的抓包截图。可以看到，这里面返回的信息里包含了DNS服务器的IP。
offer阶段
同时也可以在左上角的点左上角的苹果图标->系统表偏好设置->网络->高级->DNS中查看到DNS服务器的IP地址。
这里有个小细节，从上面的抓包图里可以看到路由器地址和DNS服务器地址，以及DHCP服务器地址，其实都是192.168.31.1，这个其实是我这边的家用路由器的IP地址，也就是说一般家用路由器自带这几个功能。
而在某里云服务器里，DNS服务器也是一样，是通过dhcp协议获得。查看DNS服务器的IP地址也很方便，执行cat /etc/resolv.conf就好了。
这上面的nameserver中，可以看出有两台DNS服务器，机子会按照文件中出现的顺序来发起请求，如果第一台服务器没反应，就会去请求第二台。
最近的DNS服务器怎么知道根域的IP是多少？
我们也知道根域，就是域名树的顶层，既然是顶层，那信息一般也就相对少一些。对应的IPV4地址只有13个，IPV6地址只有25个。
我们可以通过dig命令的+trace选项来查看一个域名的dns解析过程。
而前面提到的传说中的13个根域，从字母a-m，就都在上图中。
但这又引发了一个问题，上面看到的都是域名。
这。。。
"我本来是想通过域名去找IP的，你又让我去找其他域名的IP？"
听起来不科学，这不就死循环了吗。
是的，所以这些根域名对应的IP会以配置文件的形式，放在每个域名服务器中。
也就是说并不需要再去请求根域名对应的IP，直接在配置里能读出来就好了。
下面这个截图是域名服务器里的配置内容。
可以看到A开头的根域，它的IPV4地址是198.41.0.4。
