Introduction to Computer Networking学习笔记（二十六）：DNS
DNS应该算是经常听到的名词之一了，它是 Domain Name System 的缩写，旨在提供根据域名获得IP地址的服务。一个URL包含三个部分，第一部分应用层协议类型及端口号，域名代表的host，及host中的文件。DNS即负责告知client域名所对应的的IP。
DNS有两个特点：
1. 只读或者说大多数情况下只提供读的服务，修改较少
2. 较宽松的一致性要求，即产生延迟影响不大
以上这两点使得DNS系统可以使用缓存，建立了一个域名与IP的映射关系之后可以进行缓存，下次直接使用而不进行查询。
下图是DNS系统的架构图。可以看到DNS是按层级划分的，最顶层是root（dot），下面是*域名，之后层层划分。
我们从上图可以得到以下一些结论：
1. 采用分级、分区域（edu、com等）的体系
2. 每个层级、每个区域可以分别进行管理
3. 每个区域的服务器都有备份，防止单点故障导致整个网络出现问题
4. root有13个不同的服务器（A~M），并且每个服务器在世界各地有很多的备份，root server的IP就存储在域名服务器上，而域名服务器的地址则可以通过DHCP获取（下一节讲），并且root服务器的备份是通过任播的形式实现的。
DNS请求中包含两种请求方式：递归请求与非递归请求（这两者我认为是这样区分的：A想联系B，如果A联系C，让C去联系B，然后把结果告知A，那么就是递归请求；不同的，如果A联系C，让C告知了B的地址，然后A自己去联系C，则为非递归请求）。DNS使用UDP协议53端口传输，并且受512byte的限制，一旦回复内容大于512byte，则会使用TCP重新请求，为什么不直接使用TCP，因为TCP要握手延迟较高。
那么一个查询过程是怎样的呢，如下图，client通过DHCP知道域名解析服务器的地址并查询，该查询是递归查询，resolver接到请求后根据域名去与root server取得联系，并查询*域名.edu所在服务器地址，该查询是非递归查询（后续皆为非递归查询），获得*域名服务器地址后，继续查询stanford.edu服务器地址，继续查询www.stanford.edu服务器地址，获得地址后返回给client，同时resolver缓存.edu、.stanford.edu、www.stanford.edu的映射关系，后续直接提供服务，而无需再次逐级查询。
以上是从宏观层面上看到的DNS解析过程，而在具体实现中是如何实现查询的呢。所有的DNS信息以Resource Records（RRs）的形式表达，其结构如下图：首先是信息名称，比如域名；然后是TTL生存时间；然后是等级，通常为IN（1）代表Internet；然后是类型，比如有A（IPv4地址）、NS（name server）；最后是rdata，填写资源数据。
以上是DNS报文的数据区中的内容的表达形式，数据区中可能包含多条RRs。如下图是一个DNS报文的结构：其中除header以外的每一部分都是有一条条RRs组成。
为了清除的理解，可以看下一条真正的DNS报文如下图：首先是首部，后面的question字段有一条RR，answer字段有两条RR，后面authority字段有4条RR。
数据区前面的首部：16bit宽，有6行，即12byte
DNS为了能够尽量使所有信息不超过512byte，有着自己的名称压缩机制。首先我们要知道名字是如何记录的。在DNS中名字的记录也是分层级的，每一个层级为一个标签，比如www.stanford.com，其中www为一个标签，stanford为一个标签，com为一个标签。而在存储时则是长度+内容，长度为一个数字，内容即字符采用ascii形式存储。举个例子www，存储为0x0377 0x7777，第一个byte 0x03代表了长度为3byte，w的ascii码为0x77，因此0x03后跟3个0x77。其他标签亦如此。那么是如何实现压缩机制的呢。就比如一条DNS报文中出现了多次stanford，那么则使用指针的形式代替这个标签，而不需要重复写入stanford。而这是通过偏置实现的。比如第一次出现并完整记录的stanford从第8个byte开始，那么第二次出现时则记为0xc008，为什么是c0呢，因为DNS中规定，原本表示长度的位置如果大于等于192即0xc0，则表示接下来的14bits用来表示偏置量。偏置位置所代表指的内容及其之后的内容即为此处内容。如何理解呢，比如www.stanford.com出现一次，第一个w在第0x10位，下次出现www.stanford.com则可表示为0xc010，如果出现了market.stanford.com，则market正常表示，后续为0xc014，0x14指向stanford开头。