DNS：层次结构、解析、记录与缓存

DNS（Domain Name System）

人类可以用很多种方式来表示，比如姓名、身份证号、社保号等，但是人类会更乐意使用容易记忆的姓名而不是社保号。想象一下人们之间这样说话：“你好，我叫132-67-9875”。

主机可以使用主机名（hostname）进行表示，例如www.google.com、www.facebook.com，这些名字便于记忆。同时主机也可以使用IP地址进行标识，一个IP地址由4个取值在0～255的字节组成，通常以点分十进制表示，如121.7.106.83。

路由器更喜欢定长的、有层次结构的IP地址来标记主机，因此域名系统DNS的作用就是进行主机名到IP地址的转换。

类似电话本的原理，每一个名字都对应了一个单独的电话号码。DNS最简单的设计就是只使用一个DNS服务器，其中包含所有的映射（mapping），客户端可直接将查询发往该DNS服务器。

这种集中式的设计存在几个问题：

• 单点故障（single point of failure）：如果该DNS服务器故障，整个因特网随之瘫痪。

• 通信容量（traffic volume）：单个DNS需要处理所有DNS查询。

• 远距离集中式数据库（distant centralized database）：单个DNS不可能与所有的客户端都相邻，一些地区需要跨越半个地球，造成严重的时延。

• 维护（maintenance）：中央数据库庞大，需要频繁为新添加的主机更新记录。

分布式层次数据库

为了处理扩展性的问题，DNS使用了大量的DNS服务器分布在全世界，并以层次方式组织。

DNS服务器分层3类：

1. 根DNS服务器

2. 顶级域（TLD, Top-Level Domain）DNS服务器

3. 权威（authoritative）DNS服务器

例如一个DNS客户需要获取www.amazon.com的IP地址。客户首先与根服务器之一联系，它将返回顶级域名com的TLD服务器的IP地址。接着客户与TLD服务器之一联系，它将为amazon.com返回权威服务器的IP地址。最后客户与权威服务器之一联系，它将为www.amazon.com返回IP地址。

每个ISP都有一个本地DNS服务器（local DNS server），它并不严格属于DNS的层级体系。当主机进行DNS查询时，查询会被发送到本地DNS服务器，再由该本地DNS服务器作为代理（proxy），将查询转发给层级DNS服务器。

为了减少时延并减少传输DNS报文的数量，DNS使用了DNS缓存（DNS caching）。只要DNS服务器获得了IP映射，就将其缓存，因此根DNS服务器不会再被经常访问。然而IP映射并不是永久的，DNS服务器在一段时间后将会丢弃缓存信息。

记录类型与寿命

DNS不仅存储地址。A记录提供IPv4地址，AAAA提供IPv6地址，CNAME把一个名字指向另一个规范名字，MX指出某域的邮件交换服务器及优先级。MX的值是邮件服务器名字，不是邮件正文，也不一定直接给出IP地址；还可能需要解析那个名字。

缓存根据记录的TTL（Time To Live，存活时间）控制寿命。TTL是缓存可保留记录的时间，不是网络分组的跳数上限；两者用了相同缩写，但对象与单位不同。缓存中的剩余TTL随时间减少，权威数据变化通常不会立即通知每个缓存。