《计算机网络—自顶向下方法》 Wireshark实验（三）：DNS协议分析

        域名系统 DNS(Domain Name System) 是互联网使用的命名系统，用于把便于大家使用的机器名字转换为 IP 地址。许多应用层软件经常直接使用 DNS，但计算机的用户只是间接而不是直接使用域名系统。 互联网采用层次结构的命名树作为主机的名字，并使用分布式的域名系统 DNS。DNS 是：

1. 一个有分层的 DNS服务器实现的分布式数据库；
2. 一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议。

        采用客户服务器方式，使大多数名字都在本地进行解析。名字到 IP 地址的解析是由若干个域名服务器程序完成的，域名服务器程序在专设的结点上运行，运行该程序的机器称为域名服务器。当一个应用进程需要把主机名解析为 IP 地址是，该用户进程就调用解析程序，并成为 DNS 的一个客户，把待解析的域名放在 DNS 请求报文中，以 UDP 用户数据报的方式发给本地域名服务器。本地域名服务器查找域名后，把对应的 IP 地址放在回答报文中返回。若本地域名服务器不能回答该请求，则该本地域名服务器就暂时成为 DNS 中的另一个客户，并向其他域名服务器发出查询请求。

为什么是分布式？

        DNS 的一种简单的设计是，在互联网中只使用一个 DNS 服务器，该服务器包含所有的映射，所有客户的查询都发往该服务器。现在来考虑下，为什么 DNS 不使用集中式设计而是使用分布式？原因主要有一下 4 点：

• 单点故障：如果该 DNS 服务器崩溃，则整个因特网都会因此瘫痪；
• 通信容量：单个 DNS 服务器不得不处理所有的 DNS 查询(数量级是上亿台主机)；
• 远距离的集中式数据库：单个 DNS 服务器不可能“邻近”所有的查询客户，会导致严重的时延；
• 维护：单个 DNS 服务器不得不为所有因特网主机保留记录，这使得数据库异常庞大，且需要频繁更新。

        总而言之，单一的 DNS 服务器上运行集中式数据库，完全没有拓展能力。

        DNS 系统是一种将域名和 IP 地址相互映射的以层次结构分布的数据库系统。DNS 系统采用递归查询请求的方式来响应用户的查询，为互联网的运行提供关键性的基础服务。

        DNS 系统的解析过程描述如下：

1. 主机先向本地域名服务器进行递归查询；
2. 本地域名服务器采用迭代查询，向一个根域名服务器进行查询；
3. 根域名服务器告诉本地域名服务器，下一次应该查询的顶级域名服务器的 IP 地址；
4. 本地域名服务器向顶级域名服务器进行查询；
5. 顶级域名服务器告诉本地域名服务器，下一步查询权威服务器的 IP 地址；
6. 本地域名服务器向权威服务器进行查询；
7. 权威服务器告诉本地域名服务器所查询的主机的IP地址；
8. 本地域名服务器最后把查询结果告诉主机。

        本实验的主要内容是基于 Wireshark 工具去分析 DNS 的解析过程及其协议字段。

1 DNS 协议分析

1.1 nslookup 域名解析

1.1.1 域名结构

        IP 地址是网络中面向应用的计算机主机的标志，而域名则是互联网中面向用户的主机的标志。为了保证域名的唯一性，域名系统采用层次结构。如下图所示：

• 每一个域名（只讨论英文域名）都是一个标号序列(labels)，用字母(A-Z，a-z，大小写等价)、数字(0-9)和连接符(-)组成；
• 标号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）；
• 每个标号应该在 63 个字符之内，每个标号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，如 www.baidu.com；
• com: 一级域名。表示这是一个企业域名。同级的还有 “net”(网络提供商)， “org”(非盈利组织) 等；
• baidu: 二级域名，指公司名；
• www: 表示该公司的 WEB 服务器对应的主机。

1.1.2 域名服务器

        域名需要由遍及全世界的域名服务器去解析，域名服务器实际上就是装有域名及其 IP 地址数据库的主机。

        域名服务器由高向低进行层次划分，可分为以下几大类：

• 根域名服务器：最高层次的域名服务器，本地域名服务器解析不了的域名就会向其求助；
• 顶级域名服务器：负责管理在该顶级域名服务器下注册的二级域名；
• 权限域名服务器：负责一个区的域名解析工作；
• 本地域名服务器：当一个主机发出 DNS 查询请求时，这个查询请求首先发给本地域名服务器。

        注：一个域名服务器所负责的范围，或者说有管理权限的范围，就称为区。各单位根据具体情况来划分自己管辖范围的区，但在一个区中的所有节点必须是能够连通的。每一个区设置相应的权限域名服务器，用来保存该区中的所有主机的域名到 IP 地址的映射。DNS 服务器的管辖范围不是以“域”为单位，而是以“区”为单位。

        我们需要注意的是：

• 每个层的域名上都有自己的域名服务器，最顶层的是根域名服务器；
• 每一级域名服务器都知道下级域名服务器的 IP 地址；
• 为了容灾，每一级至少设置两个或以上的域名服务器。

1.1.3 域名解析

        域名解析主要是将主机名（例如 www.example.com）转换为计算机友好的 IP 地址（例如 192.168.1.1），域名解析的基本过程：

• (1) 输入域名后，先查找自己主机对应的域名服务器，域名服务器先查找自己的数据库中的数据；
• (2) 如果没有， 就向上级域名服务器进行查找， 依次类推；
• (3) 最多回溯到根域名服务器，肯定能找到这个域名的 IP 地址；
• (4) 域名服务器自身也会进行一些缓存， 把曾经访问过的域名和对应的 IP 地址缓存起来，可以加速查找过程。

        简单的域名对应的 IP 地址查询，也可以使用 ping 命令来完成。

1.1.4 域名解析与 nslookup

        nslookup 是一种网络管理命令行工具，可用于查询 DNS 域名和 IP 地址。无论是 linux 或者是 window 下都有这个工具，用好它对平常的域名解析情况，或者对域名服务器的维护都有帮助。
语法：

    nslookup [ -Option ... ] [ Host ] [ -NameServer ]

        nslookup 命令以两种方式查询域名服务器：

• 交互模式：当没有给出操作参数时进入，操作对象和操作方式可以通过相应交互命令来告诉。
• 命令模式：在一个命令行中将操作对象和操作方式告知命令，nslookup 将执行结果返回。实际使用中，采用这种方式比较多。

        下面列举几种主要用法：

1. 直接查询 查询一个域名的 A 记录，使用默认的 DNS 服务器，语法为：nslookup domain 例如： nslookup baidu.com

        从中可以看出:
(1) baidu.com 的域名解析所使用的 DNS 服务器地址 172.21.0.10；
(2) baidu.com 域名对应的主机有几个IP地址。

2. 指定域名服务器查询

nslookup domain  dns-server

        将查询请求发送到 DNS 服务器 bitsy.mit.edu，而不是默认的 DNS 服务器。如：

nslookup baidu.com 172.21.0.10

3. 查询其他记录，语法格式如下：

nslookup -type=type domain 

        通过指定 -type 参数的具体类型，执行其他类型的查询。常用类型说明：

• MX：邮件服务器记录；
• NS：名字服务器记录；
• PTR：反向记录。

        如查询baidu.com对应的名字服务器记录：

nslookup -type=NS baidu.com

结果如图：

        查询 IP 地址172.11.4.107对应的域名（反向查询）:

nslookup -type=PTR 172.11.4.107

结果如图：

1.2 查看与设置 DNS 服务器操作

1.2.1 如何查看网卡默认的 DNS 服务器

        在我们使用的 Linux 操作系统里面，DNS 服务器的配置信息在 /etc/resolv.conf 文件里面。查看该文件的命令如下：

cat /etc/resolv.conf

        该文件内容如下图所示：