1、什么是DNS协议？

DNS协议，即域名系统（Domain Name System）协议，是一种应用于互联网的分布式数据库系统，负责将域名（人类可读的主机名）解析为IP地址（计算机可识别的地址）。DNS协议的主要功能是在互联网上实现主机名与IP地址之间的映射，使得用户可以方便地通过域名访问网站。

• IP地址：一长串能够唯一标记网络上的计算机的数字。IP便于机器直接读取，但是不方便记忆，且不能显示出组织的名称和性质。
• 域名：由一串用点分隔的名字组成的Internet上某一台计算机或计算机组的名称，用于在数据传输时对计算机的定位标识。域名便于记忆。

DNS解析过程

整个域名解析过程涉及到多个DNS服务器之间的交互，最终将域名转换为IP地址。这个过程保证了互联网上域名和IP地址的唯一对应关系，从而实现了网页的访问

1. 当用户在浏览器中输入一个域名时，浏览器会向本地DNS服务器发起域名解析请求。
2. 本地DNS服务器收到请求后，会首先检查自己的缓存记录，看是否已经存在该域名的解析结果。如果存在，则直接返回对应的IP地址。
3. 如果本地DNS服务器不存在该域名的解析记录，它会向根域名服务器发起查询，请求获取该域名的顶级域名服务器（TLD Server）信息。
4. 根域名服务器收到请求后，会返回相应的顶级域名服务器的信息。
5. 本地DNS服务器然后向顶级域名服务器发起查询，请求获取该域名的权威域名服务器（Authoritative DNS Server）信息。
6. 顶级域名服务器收到请求后，会返回相应的权威域名服务器的信息。
7. 本地DNS服务器最后向权威域名服务器发起查询，请求获取该域名的IP地址。
8. 权威域名服务器收到请求后，返回对应的IP地址。
9. 本地DNS服务器将获取到的IP地址返回给浏览器，浏览器据此连接到目标服务器，并完成后续的网页访问。

2、域名的层次结构

域名采用了层次结构的命名方法：

• 每一个域名（本文只讨论英文域名）都是一个label序列，用字母（A-Z，a-z，大小写等价）、数字（0-9）和连接符（-）组成
• label序列总长度不能超过255个字符，它由点号分割成一个个的标号（label）
• 每个label应该在63个字符之内，每个label都可以看成一个层次的域名
• 级别最低的域名写在左边，级别最高的域名写在右边

例子：www.baidu.com

• com: 顶级域名. 表示这是一个企业域名
• baidu: 二级域名，指公司名
• www: 三级域名

顶级域名

顶级域名是域名的最后一个部分，例如www.baidu.com的顶级域名就是.com。顶级域名可以分为两类：

通用顶级域名，比如.com、.net、.edu、.org、.xxx等等

国家顶级域名，代表不同的国家和地区，比如.cn(中国)、.io（英属印度洋领地）、.cc（科科斯群岛）等。

每个顶级域名有一个托管商，托管商负责管理该顶级域名的所有事项。

二级域名

二级域名在通用顶级域名和国家顶级域名下具有不同的意义：

通用顶级域名下的二级域名：一般指域名注册人选择使用的网上名称，如yahoo.com、baidu.com。

国家顶级域名下的二级域名：一般指类似于通用顶级域名的表示注册人类别和功能的标识。例如.com.cn域名中，.com是置于国家顶级域名.cn下的二级域名，表示中国的商业性组织。

三级域名

三级域名是形如www.baidu.com的域名，可以当作是二级域名的子域名，特征为域名包含两个.。对于域名所有者/使用者而言，三级域名都是二级域名的附属物而无需单独费用。三级域名甚至不能称为域名，一般称之为域名下的“二级目录”。

根域名

有时，www.xxx.com被写成www.xxx.com，即最后还会多出一个点，这个点就是根域名。

3、域名服务器

(1)根域名服务器

根域名服务器（Root Domain Name Server）是互联网域名解析系统（DNS）中最高级别的域名服务器，负责管理所有顶级域名（TLD）的解析。根域名服务器的主要作用是将域名解析成 IP 地址，从而实现互联网上的域名访问。全球共有13台根域名服务器，其中1台为主根域名服务器，放置在美国，其余12台为辅根域名服务器，分布在全球多个国家和地区。

根域名服务器是互联网基础设施的重要组成部分，其运行稳定性和安全性对于互联网的稳定运行至关重要。在过去几十年中，根域名服务器一直由美国政府和互联网域名与号码分配机构ICANN负责管理。然而，随着互联网的发展和全球互联网治理格局的变化，越来越多的国家开始呼吁实现根域名服务的多边、民主和透明管理。

在我国，根域名服务器的部署工作已经取得重要进展。根据中国互联网络信息中心（CNNIC）的数据，截至2021年底，我国已经部署了4台根域名服务器，包括1台主根域名服务器和3台辅根域名服务器，这打破了我国过去没有根服务器的困境，为我国互联网的发展和全球互联网治理提供了更为坚实的基础。

(2)顶级域名服务器

顶级域名服务器（Top-Level Domain Name Server）是互联网域名解析系统（DNS）中负责管理顶级域名（TLD）解析的服务器。顶级域名是互联网域名结构中的最高级别，例如.com、.org、.net等。顶级域名服务器的主要作用是将顶级域名解析成二级域名，进而将二级域名解析成 IP 地址，从而实现互联网上的域名访问。

全球共有13台根域名服务器，负责管理所有顶级域名。每个顶级域名服务器都存储着对应顶级域名的域名信息，以及与之相关的二级域名服务器的信息。当用户在浏览器中输入一个域名时，本地域名服务器会首先查询根域名服务器，获取对应顶级域名服务器的信息，然后继续向下查询二级域名服务器，直至找到目标网站的 IP 地址。

在我国，顶级域名服务器的管理和运行主要由我国互联网络信息中心（CNNIC）负责。CNNIC负责部署和维护我国的顶级域名服务器，确保国内用户能够顺利访问国内外网站。同时，CNNIC还负责管理和分配我国境内的二级域名，以及协调我国互联网域名系统的运行和发展。

总之，顶级域名服务器是互联网域名解析系统中至关重要的组成部分，它负责将域名解析成 IP 地址，从而实现互联网上的域名访问。不同级别的域名服务器相互协作，共同构成了互联网域名解析系统的核心基础设施。

(3)权限域名服务器

 权限域名服务器（Authoritative Domain Name Server）是负责存储并发布特定域名下的域名解析信息的服务器。它被认为是域名系统（DNS）中的权威来源，因为它提供了特定域名的精确解析信息，包括主域名服务器和二级域名服务器。

权限域名服务器的主要功能是将域名解析为 IP 地址，并为用户提供域名注册、域名解析、域名托管等服务。在域名解析过程中，权限域名服务器被视为最可靠的数据来源，因为它存储了域名的精确信息，并且这些信息通常只能被域名所有者或授权的服务提供商修改。

与本地域名服务器和根域名服务器相比，权限域名服务器的区别在于其数据来源和管理的范围。本地域名服务器和根域名服务器主要负责域名解析的层次结构和组织，而权限域名服务器则专注于特定域名的解析信息。

举例来说，如果一个公司拥有一个域名（如：example.com），那么该公司需要在权限域名服务器上注册并配置相应的域名解析信息，以便将域名解析为公司的 IP 地址。这样，当用户在浏览器中输入该域名时，域名解析系统可以正确地将域名转换为 IP 地址，从而实现对该公司网站的访问。

区和域是不同的，区可以由多种不同的划分方法。以百度为例，假设有fanyi.baidu.com、ai.baidu.com、tieba.baidu.com这三个域名。可以这样分区，fanyi.baidu.com和tieba.baidu.com放在baidu.com权限域名服务器，ai.baidu.com放在ai.baidu.com权限域名服务器中。并且baidu.com权限域名服务器和ai.baidu.com权限域名服务器是同等地位的，具体怎么分区由百度公司自己规定。

(4)本地域名服务器

除了上面三种服务器，还有一种不在DNS层次结构中的，但是很重要的服务器，就是本地域名服务器。

本地域名服务器（Local Domain Name Server）是指位于本地网络中的一个DNS服务器，是电脑解析时的默认域名服务器，即电脑选中的首选DNS服务器和备选DNS服务器。常见的由电信、联通、谷歌等本地DNS服务器，主要负责缓存和转发查询请求。当一台主机发出DNS查询请求时，这个查询请求报文首先会发送到本地域名服务器，本地域名服务器会根据自身的缓存或者向其他域名服务器查询的结果，返回相应的域名解析信息。

本地域名服务器的功能主要包括：

1. 缓存域名解析信息：本地域名服务器会缓存其他域名服务器返回的域名解析信息，以便在下次查询时快速响应。
2. 转发查询请求：当本地域名服务器缓存中没有查询到的域名解析信息时，它会将查询请求转发给其他域名服务器，如根域名服务器、顶级域名服务器或权限域名服务器。
3. 解析域名：本地域名服务器收到查询请求后，会根据请求的域名层次结构，逐级查询相应的域名服务器，直到找到对应的域名解析信息。
4. 更新缓存：当本地域名服务器收到新的域名解析信息时，它会更新自身的缓存，以便在下次查询时使用。

本地域名服务器的作用在于提高域名解析的效率和可靠性。通过使用本地域名服务器，用户可以更快地获取到域名解析信息，从而实现对互联网上资源的访问。此外，本地域名服务器还可以减轻根域名服务器和其他远程域名服务器的负担，提高整个域名解析系统的性能。

(5)DNS解析器（DNS resolver）

DNS解析器（DNS resolver）是一种服务器，负责将域名解析为对应的IP地址。它在DNS查询过程中发挥着关键作用，使得用户可以通过输入域名来访问网站。

DNS解析器的主要功能如下：

1. 接收DNS查询请求：当用户在浏览器中输入一个域名时，浏览器会向DNS解析器发送一个DNS查询请求，请求将该域名解析为对应的IP地址。
2. 缓存DNS记录：DNS解析器会检查自身缓存中是否已经存在该域名的解析记录。如果存在，则直接返回对应的IP地址；如果不存在，则继续进行查询。
3. 查询远程DNS服务器：如果本地缓存中没有找到相应的解析记录，DNS解析器会向远程DNS服务器发送查询请求，逐级查询直至找到目标域名的解析记录。
4. 返回解析结果：一旦找到目标域名的解析记录，DNS解析器会将对应的IP地址返回给浏览器，从而使得浏览器能够访问到目标网站。
5. 更新缓存：当DNS解析器收到新的域名解析信息时，它会更新自身的缓存，以便在下次查询时使用。

DNS解析器通常由网络服务提供商（ISP）或企业网络管理员管理。它们是DNS查询的起点，负责从根DNS服务器开始解析域名，一步步查询到目标域名所在的DNS服务器，并将解析结果返回给用户设备。通过DNS解析器，用户可以方便地通过域名访问到网站，而无需记住复杂的IP地址。按我理解，这玩意儿有时候也被认为是本地域名服务器。

4、域名解析系统

域名解析系统（Domain Name System，简称DNS）是互联网上的命名系统，负责将便于人们记忆的域名（如www.baidu.com）转换为机器可以识别的IP地址（如111.13.16.34），同时也提供了域名的分级管理和分布式查询服务。

域名解析系统的主要组成部分包括

1. 域名：由字母、数字、 hyphen（-）和点（.）组成，分为不同级别的标号，如顶级域名、二级域名、三级域名等。
2. 域名服务器：负责存储和维护域名与IP地址的映射关系，提供域名解析服务。域名服务器分为不同类型，如根域名服务器、顶级域名服务器、授权域名服务器（或称权限域名服务器）和本地域名服务器。
3. 域名解析过程：包括递归查询和迭代查询两种方式。递归查询是指域名服务器在为客户端解析域名时，可能需要多次查询其他域名服务器以获取完整的信息。迭代查询则是域名服务器在解析过程中，逐级向其他域名服务器查询，直到找到对应的权威域名服务器。
4. 高速缓存：为了提高域名解析速度，域名服务器会将常用的域名解析结果缓存起来，减少重复查询的时间。

域名解析系统的工作原理

当客户端需要访问一个网站时，它会向本地域名服务器发起域名解析请求。本地域名服务器会根据请求的域名，逐级向其他域名服务器查询，直到找到对应的权威域名服务器。然后，将查询到的IP地址返回给客户端，客户端据此建立与目标网站的连接。总之，域名解析系统在互联网中起着至关重要的作用，它使得人们可以方便地使用域名访问网站，同时确保了网络资源的有序管理和高效访问。

域名解析的过程

1. 当用户在浏览器中输入一个域名时，浏览器会向本地DNS服务器发送一个DNS查询请求，请求将该域名解析为对应的IP地址。
2. 本地DNS服务器收到请求后，会首先检查自身缓存中是否已经存在该域名的解析记录。如果存在，则直接返回对应的IP地址；如果不存在，则继续进行查询。
3. 本地DNS服务器会向根DNS服务器发送查询请求，询问该域名对应的顶级域名服务器（TLD服务器）的IP地址。
4. 根DNS服务器收到请求后，会返回相应的顶级域名服务器的IP地址。
5. 本地DNS服务器然后向顶级域名服务器发送查询请求，询问该域名对应的二级域名服务器（或权威DNS服务器）的IP地址。
6. 顶级域名服务器收到请求后，会返回相应的二级域名服务器的IP地址。
7. 本地DNS服务器最后向二级域名服务器发送查询请求，请求该域名对应的IP地址。
8. 二级域名服务器收到请求后，会返回该域名的IP地址。此时，本地DNS服务器已经完成了域名解析过程，将结果返回给用户的浏览器。
9. 浏览器根据得到的IP地址，连接到目标网站服务器，从而实现用户访问网站的目的。

5、DNS的查询方式

DNS查询方式有：

• 迭代查询
• 递归查询
• 非递归查询

一般来说域名服务器之间的查询使用迭代查询方式，以免根域名服务器的压力过大。主机与本地域名服务器的查询方式使用递归查询。迭代查询与递归查询的区别在于，迭代查询会在每次查询后返回一个最佳的查询点提示或主机地址，然后继续按照这个提示进行下一次查询，从而逐步缩小查询范围。而递归查询则是直接从本地DNS服务器开始，一直向上查询到根域名服务器，再向下查询至目标主机地址。

(1)迭代查询

迭代查询（iterative query）是一种在域名系统（DNS）中用于查询域名对应IP地址的方法。当服务器使用迭代查询时，它会依次向其他服务器发送查询请求，并根据返回的提示信息继续查询，直到找到目标主机地址或达到指定的查询深度为止。

迭代查询的过程

1. 客户端向本地DNS服务器发送查询请求，请求解析一个域名（例如：www.example.com）。
2. 本地DNS服务器收到请求后，首先检查自身缓存中是否已存在该域名的解析记录。如果存在，则直接返回对应的IP地址；如果不存在，则将请求发送给根域名服务器。
3. 根域名服务器收到请求后，返回一个顶级域名（TLD）服务器的IP地址。
4. 本地DNS服务器然后向顶级域名服务器发送查询请求，请求解析该域名对应的二级域名服务器（或权威DNS服务器）的IP地址。
5. 顶级域名服务器收到请求后，返回相应的二级域名服务器的IP地址。
6. 本地DNS服务器再向二级域名服务器发送查询请求，请求该域名对应的IP地址。
7. 二级域名服务器收到请求后，返回该域名的IP地址。此时，本地DNS服务器已经完成了域名解析过程，将结果返回给客户端。
8. 如果在这个过程中，任何一代域名服务器无法返回所需的IP地址，那么本地DNS服务器会根据返回的提示信息，继续向上查询，直至找到目标主机地址或达到指定的查询深度。

总之，迭代查询是一种在DNS系统中用于查询域名对应IP地址的方法，它通过依次查询并遵循返回的提示信息，直至找到目标主机地址。这种方法在查询过程中能够逐步缩小查询范围，提高查询效率。

(2递归查询

递归查询(recursive query)是指域名解析过程中，域名服务器（DNS服务器）在为客户端解析域名时，可能需要多次查询其他域名服务器以获取完整的信息。这个过程被称为递归查询。

DNS递归查询的过程

1. 客户端向本地域名服务器发起域名解析请求。
2. 本地域名服务器收到请求后，首先检查自己的缓存记录，如果找不到对应的IP地址，则向其他权威域名服务器发起查询。
3. 权威域名服务器收到查询请求后，会查询自己的缓存记录，如果找不到对应的IP地址，则会继续向上查询顶级域名服务器。
4. 顶级域名服务器收到查询请求后，会查询权威域名服务器的缓存记录，如果找不到对应的IP地址，则会继续向上查询其他权威域名服务器。
5. 重复上述过程，直到找到对应的权威域名服务器或达到设定的最大递归深度。
6. 一旦找到对应的权威域名服务器，查询结果将依次返回给本地域名服务器、客户端，完成域名解析过程。

DNS递归查询的重要性

1. 确保域名解析的准确性：递归查询有助于获取到最新的域名解析信息，避免使用过时的缓存数据。
2. 提高域名解析速度：通过递归查询，可以在本地域名服务器找不到对应记录时，快速地定位到其他权威域名服务器，加快域名解析过程。
3. 减少网络延迟：递归查询可以在一定程度上减少客户端与远程域名服务器之间的通信次数，降低网络延迟。

总之，DNS递归查询是域名解析过程中必不可少的一环，有助于确保域名解析的准确性、提高解析速度和降低网络延迟。

(3)DNS非递归查询(non-recursive query)

DNS非递归查询（non-recursive query）是指在域名解析过程中，域名服务器不直接向其他域名服务器发起查询，而是将查询请求传递给其他域名服务器，由这些服务器逐级处理并返回结果。与递归查询相比，非递归查询更依赖于其他域名服务器的参与。

在非递归查询中，当本地域名服务器无法直接解析某个域名时，它会将查询请求发送给其他域名服务器，如根域名服务器、顶级域名服务器或权威域名服务器。这些服务器在接收到查询请求后，会根据自己的职责和缓存信息来处理请求，并将查询结果返回给本地域名服务器。本地域名服务器再将结果返回给客户端。

非递归查询的特点

1. 本地域名服务器在遇到无法解析的域名时，会向其他域名服务器发起查询。
2. 查询过程可能涉及多个域名服务器之间的交互，从而增加了解析时间和服务器负担。
3. 非递归查询依赖于其他域名服务器的资源和性能，可能导致解析速度较慢或不稳定。
4. 非递归查询在某些场景下可能引发域名解析循环，导致解析失败或延迟。

6、DNS记录缓存

我们可以知道不管是递归查询还是迭代查询，都会发送 8 个 UDP 用户数据报的报文。为了提高 DNS 的查询效率，减轻根域名服务器的负荷和 DNS 数据报的查询数量，在域名服务器中广泛地使用了高速缓存。高速缓存用来存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录。

假设我们要查询www.baidu.com/域名对应的 IP 地址，如果本地域名服务器上有该域名对应的 IP 地址，那么可以直接从本地域名服务器上获得对应的 IP 地址，而不需要到根域名服务器上进行查询。当本地域名服务器查询不到 IP 地址时，本地域名服务器也可以不向根域名服务器发送请求报文，而是直接向顶级域名服务器发送查询请求报文。

不仅在本地域名服务器中有高速缓存，在主机中也有。很多主机在启动的时候从本地域名服务器下载名字和地址的全部数据库，维护存放自己使用的域名的高速缓存，只有在缓存中找不到名字时才使用域名服务器。每个位置均将存储 DNS 记录并保存由生存时间（TTL）决定的一段时间。

(1)浏览器 DNS 缓存

浏览器DNS缓存是指浏览器在解析域名时，将域名解析结果（IP地址）暂存在本地内存中，以便下次访问相同域名时能够更快地获取到目标网站。DNS缓存有助于提高浏览器访问速度，减少网络延迟。

不同浏览器对DNS缓存的管理和查看方式有所不同。以下以Chrome和Firefox浏览器为例：

1. Chrome浏览器：

查看DNS缓存：

在浏览器地址栏输入`chrome://net-internals/#dns`，可以查看各域名的DNS缓存时间。Chrome对每个域名会默认缓存60秒。

清除DNS缓存：

点击“Clear host cache”，然后选择“clear cache”和 "flush socket"，可以清空Chrome的DNS缓存。

2. Firefox浏览器：

查看DNS缓存：

Firefox浏览器的DNS缓存信息需要通过配置文件查看。打开浏览器，输入`about:config`，搜索`network.dnsCacheEntries`和`network.dnsCacheExpiration`，可以查看DNS缓存的相关设置。

清除DNS缓存：

Firefox浏览器没有直接清除DNS缓存的功能，但可以通过修改配置文件来调整DNS缓存时间。将`network.dnsCacheExpiration`的值修改为较大的数值，如6000秒（表示缓存6000秒），提高DNS解析速度。

需要注意的是，DNS缓存时间过长可能会导致访问速度提高，但同时也可能影响到DNS解析的准确性。因此，在适当的时候清除DNS缓存是有必要的。

(2)操作系统（OS）级 DNS 缓存

操作系统（OS）级DNS缓存是指操作系统本身在本地存储的DNS查询结果。操作系统会缓存已解析的域名和相应IP地址，以提高DNS解析速度。在某些情况下，如网络问题故障排除或更改DNS地址后，可能需要刷新操作系统级的DNS缓存。

操作系统级DNS缓存的工作原理

1. 当计算机首次进行域名解析时，操作系统会将解析结果缓存到本地DNS缓存中，并设置一个生存时间（TTL，Time-to-Live）。
2. 在之后的一段时间内，如果再次进行相同域名的解析请求，操作系统会直接从本地DNS缓存中获取缓存结果，而无需再向DNS服务器发送请求。
3. 当缓存中的解析结果过期（TTL过期）或被清除时，下一次解析该域名时会重新向DNS服务器发送解析请求，并更新本地DNS缓存。

操作系统级DNS缓存可以减轻对DNS服务器的负载，并提高域名解析的效率。不同操作系统的实现方式可能有所差异，但大多数现代操作系统都提供了这种DNS缓存机制。

常见操作系统清除DNS缓存方法

1. Windows：

清除DNS缓存：打开命令提示符（以管理员身份），输入以下命令：ipconfig /flushdns

2. Linux：

清除DNS缓存：根据Linux发行版和使用的缓存服务，清除DNS缓存的方法有所不同。在大多数情况下，可以使用以下命令：sudo nscd --flush-caches或者sudo systemctl restart nscd

3. macOS：

清除DNS缓存：根据Mac OS X操作系统的版本，可以使用以下命令：

① Mac OS X 12（Sierra）及更高版本：

sudo killall -HUP mDNSResponder、sudo killall mDNSResponderHelper、

sudo dscacheutil -flushcache

② Mac OS X 11（El Capitan）和OS X 10.10（Yosemite）：

sudo killall -HUP mDNSResponder

请注意，操作系统的DNS缓存清除后，浏览器可能还需要重新加载DNS缓存。具体操作取决于所使用的浏览器。在大多数情况下，浏览器会自动重新加载DNS缓存，但有时可能需要手动重启浏览器或重新打开网页。

7、DNS报文格式

DNS报文格式用于在互联网中进行域名解析。DNS报文分为查询请求和查询响应两种，它们的报文结构基本相同。如下：

DNS报文格式主要包括以下几个部分

1. 报文首部（Header）：报文首部包含了一些基本信息，如事务ID、标志、问题计数等。事务ID用于区分不同的请求报文和响应报文。标志字段包含了查询类型、操作码等信息。问题计数表示查询的问题数量。
2. 问题部分（Question）：问题部分描述了查询的问题，包括查询类型（QTYPE）、查询类（QCLASS）以及查询的域名（QNAME）。
3. 答案部分（Answer）：答案部分包含了回答问题的资源记录（RRs）。每个资源记录包含以下字段：资源记录类型、资源记录类、ttl（生存时间）、域名、地址或其他数据。
4. 授权部分（Authority）：授权部分包含了授权域名服务器的资源记录。这些记录用于指示查询域名的权威服务器，以便进一步查询或递归查询。
5. 附加信息部分（Additional）：附加信息部分包含与请求相关的RRs，但不是必须回答的。这些记录通常包含关于域名服务器的信息、邮件交换器等信息。

DNS报文格式的主要作用是在客户端和服务器之间传递域名解析请求和响应。通过分析报文格式，我们可以了解查询类型、查询目标以及查询结果等信息。在实际应用中，DNS报文格式有助于实现域名解析的快速、高效和可靠。