Hey guys 各位读者姥爷们大家好，这里是程序员 cxuan 计算机网络连载系列的第 13 篇文章。
到现在为止，我们算是把应用层、运输层、网络层和数据链路层都介绍完了，那么现在是时候把这些内容都串起来，做一个全面的回顾了。那么我这就以 Web 页面的请求历程为例，来和你聊聊计算机网络中这些协议是怎样工作的、数据包是怎么收发的，从输入 URL 、敲击回车到最终完成页面呈现在你面前的这个过程。
首先，我打开了 Web Browser ，然后在 Google 浏览器 URL 地址栏中输入了 maps.google.com。
然后 ……
查找 DNS 缓存
浏览器在这个阶段会检查四个地方是否存在缓存，第一个地方是浏览器缓存，这个缓存就是 DNS 记录。
浏览器会为你访问过的网站在固定期限内维护 DNS 记录。因此，它是第一个运行 DNS 查询的地方。浏览器首先会检查这个网址在浏览器中是否有一条对应的 DNS 记录，用来找到目标网址的 IP 地址。
我是 chrome 浏览器，所以在 mac 中，无法使用 chrome://net-internals/#dns 找到对应的 IP 地址，在 windows 中是可以找到的。
那么 mac 怎么查询 DNS 记录呢？你可以使用
nslookup命令来查找，但这不是我们讨论的重点。
DNS(Domain Name System) 是一个分布式的数据库，它用于维护网址 URL 到其 IP 地址的映射关系。在互联网中，IP 地址是计算机所能够理解的一种地址，而 DNS 的这种别名地址是我们人类能够理解和记忆的地址，DNS 就负责把人类记忆的地址映射成计算机能够理解的地址，每个 URL 都有唯一的 IP 地址进行对应。
举个例子，google 的官网是 www.google.com ，而 google 的 ip 地址是 216.58.200.228 ，这两个地址你在 URL 上输入哪个都能访问，但是 IP 地址不好记忆，而 google.com 简单明了。DNS 就相当于是我们几年前使用的家庭电话薄，比如你想给 cxuan 打电话，你有可能记不住 cxuan 的电话号码，此时你需要查询电话薄来找到 cxuan 的电话号码。
浏览器第二个需要检查的地方就是操作系统缓存。如果 DNS 记录不在浏览器缓存中，那么浏览器将对操作系统发起系统调用，Windows 下就是 getHostName。
在 Linux 和大部分 UNIX 系统上，除非安装了
nscd，否则操作系统可能没有 DNS 缓存。nscd 是 Linux 系统上的一种名称服务缓存程序。
浏览器第三个需要检查的地方是路由器缓存，如果 DNS 记录不在自己电脑上的话，浏览器就会和与之相连的路由器共同维护 DNS 记录。
如果与之相连的路由器也没有 DNS 记录的话，浏览器就会检查 ISP 中是否有缓存。ISP 缓存就是你本地通信服务商的缓存，因为 ISP 维护着自己的 DNS 服务器，它缓存 DNS 记录的本质也是为了降低请求时间，达到快速响应的效果。一旦你访问过某些网站，你的 ISP 可能就会缓存这些页面，以便下次快速访问。对于经常看小电影的你是否感到震惊呢？如果家里还安装了一个可以联网的摄像头的话，那就有点嗨皮了。
你肯定比较困惑为什么第一步浏览器需要检查这么多缓存，你可能会感到不舒服，因为缓存可能会透露我们的隐私，但是这些缓存在调节网络流量和缩短数据传输时间等方面至关重要。
所以，上面涉及到 DNS 缓存的查询过程如下。
如果上面四个步骤中都不存在 DNS 记录，那么就表示不存在 DNS 缓存，这个时候就需要发起 DNS 查询，以查找目标网址（本示例中是 maps.google.com）的 IP 地址。
发起 DNS 查询
如上所述，如果想要使我的计算机和 maps.google.com 建立连接并进行通信的话，我需要知道 maps.google.com 的 IP 地址，由于 DNS 的设计原因，本地 DNS 可能无法给我提供正确的 IP 地址，那么它就需要在互联网上搜索多个 DNS 服务器，来找到网站的正确 IP 地址。
这里有个疑问，为什么我需要搜索多个 DNS 服务器的来找到网站的 IP 地址呢？一台服务器不行吗？
因为 DNS 是分布式域名服务器，每台服务器只维护一部分 IP 地址到网络地址的映射，没有任何一台服务器能够维持全部的映射关系。
在 DNS 的早期设计中只有一台 DNS 服务器。这台服务器会包含所有的 DNS 映射。这是一种集中式的设计，这种设计并不适用于当今的互联网，因为互联网有着数量巨大并且持续增长的主机，这种集中式的设计会存在以下几个问题
单点故障(a single point of failure)，如果 DNS 服务器崩溃，那么整个网络随之瘫痪。通信容量(traaffic volume)，单个 DNS 服务器不得不处理所有的 DNS 查询，这种查询级别可能是上百万上千万级，一台服务器很难满足。远距离集中式数据库(distant centralized database)，单个 DNS 服务器不可能邻近所有的用户，假设在美国的 DNS 服务器不可能临近让澳大利亚的查询使用，其中查询请求势必会经过低速和拥堵的链路，造成严重的时延。维护(maintenance)，维护成本巨大，而且还需要频繁更新。
所以在当今网络情况下 DNS 不可能集中式设计，因为它完全没有可扩展能力，所以采用分布式设计，这种设计的特点如下
分布式、层次数据库。
首先分布式设计首先解决的问题就是 DNS 服务器的扩展性问题，因此 DNS 使用了大量的 DNS 服务器，它们的组织模式一般是层次方式，并且分布在全世界范围内。没有一台 DNS 服务器能够拥有因特网上所有主机的映射。相反，这些映射分布在所有的 DNS 服务器上。
大致来说有三种 DNS 服务器：根 DNS 服务器、 顶级域(Top-Level Domain, TLD) DNS 服务器 和 权威 DNS 服务器 。这些服务器的层次模型如下图所示
根 DNS 服务器，有 400 多个根域名服务器遍及全世界，这些根域名服务器由 13 个不同的组织管理。根域名服务器的清单和组织机构可以在 https://root-servers.org/ 中找到，根域名服务器提供 TLD 服务器的 IP 地址。顶级域 DNS 服务器，对于每个顶级域名比如 com、org、net、edu 和 gov 和所有的国家级域名 uk、fr、ca 和 jp 都有 TLD 服务器或服务器集群。所有的顶级域列表参见 https://tld-list.com/ 。TDL 服务器提供了权威 DNS 服务器的 IP 地址。权威 DNS 服务器，在因特网上具有公共可访问的主机，如 Web 服务器和邮件服务器，这些主机的组织机构必须提供可供访问的 DNS 记录，这些记录将这些主机的名字映射为 IP 地址。一个组织机构的权威 DNS 服务器收藏了这些 DNS 记录。
在了解了 DNS 服务器的设计理念之后，我们回到 DNS 查找的步骤上来，DNS 的查询方式主要分为三种
DNS 查找中会出现三种类型的查询。通过组合使用这些查询，优化的 DNS 解析过程可缩短传输距离。在理想情况下，可以使用缓存的记录数据，从而使 DNS 域名服务器能够直接使用非递归查询。
递归查询：在递归查询中，DNS 客户端要求 DNS 服务器（一般为 DNS 递归解析器）将使用所请求的资源记录响应客户端，或者如果解析器无法找到该记录，则返回错误消息。
迭代查询：在迭代查询中，如果所查询的 DNS 服务器与查询名称不匹配，则其将返回对较低级别域名空间具有权威性的 DNS 服务器的引用。然后，DNS 客户端将对引用地址进行查询。此过程继续使用查询链中的其他 DNS 服务器，直至发生错误或超时为止。
非递归查询：当 DNS 解析器客户端查询 DNS 服务器以获取其有权访问的记录时通常会进行此查询，因为其对该记录具有权威性，或者该记录存在于其缓存内。DNS 服务器通常会缓存 DNS 记录，查询到来后能够直接返回缓存结果，以防止更多带宽消耗和上游服务器上的负载。
上面负责开始 DNS 查找的介质就是 DNS 解析器，它一般是 ISP 维护的 DNS 服务器，它的主要职责就是通过向网络中其他 DNS 服务器询问正确的 IP 地址。
如果想要了解更多关于 DNS 的消息，请查阅 万字长文爆肝 DNS 协议！
所以对于 maps.google.com 这个域名来说，如果 ISP 维护的服务器没有 DNS 缓存记录，它就会向 DNS 根服务器地址发起查询，根名称服务器会将其重定向到 .com 顶级域名服务器。.com 顶级域名服务器会将其重定向到google.com 权威服务器。google.com 名称服务器将在其 DNS 记录中找到 maps.google.com 匹配的 IP 地址，并将其返回给您的 DNS 解析器，然后将其发送回你的浏览器。
这里值得注意的是，DNS 查询报文会经过许多路由器和设备才会达到根域名等服务器，每经过一个设备或者路由器都会使用路由表 来确定哪种路径是数据包达到目的地最快的选择。这里面涉及到路由选择算法，如果小伙伴们想要了解路由选择算法，可以看看这篇文章 https://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/ip/border-gateway-protocol-bgp/13753-25.html#anc3
