Domain Name System
为什么需要 DNS
因特网的网际层使用 IP 地址来寻址主机（如 42.83.144.13），但人很难记住一串数字。应用层使用域名（如 cnnic.net.cn）来标识主机，便于用户记忆和使用。
域名系统（Domain Name System，DNS）的作用就是把域名转换为 IP 地址。它是分布在因特网上的一套命名和查询系统，使大多数域名能在本地解析，效率高且容错性好。
因特网不能只用一台 DNS 服务器：规模太大，单台服务器会超负荷；一旦故障，整个因特网就会瘫痪。因此 DNS 采用层次结构的命名方案和分布式的服务器体系。
层次域名空间
因特网的域名空间是一棵倒置的树——根在最上面，但没有对应的域名。
域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用点 . 分隔：
$$
\text{…三级域名.二级域名.顶级域名}
$$
例如 mail.cctv.com 中，com 是顶级域名，cctv 是二级域名，mail 是三级域名。级别最低的写在最左边，级别最高的写在最右边。
顶级域名 TLD
顶级域名（Top Level Domain）分为三类：
| 类型 | 缩写 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 国家顶级域名 | nTLD | 按 ISO 3166 规定 | cn（中国）、us（美国）、uk（英国） |
| 通用顶级域名 | gTLD | 最常见的七个 | com、net、org、int、edu、gov、mil |
| 反向域 | arpa | 用于 IP 地址反向解析为域名 | arpa |
通用顶级域名含义：
| 域名 | 含义 |
|---|---|
com |
公司企业 |
net |
网络服务机构 |
org |
非营利性组织 |
int |
国际组织 |
edu |
美国教育机构 |
gov |
美国政府部门 |
mil |
美国军事部门 |
我国的二级域名
在国家顶级域名 cn 下，我国将二级域名分为两类：
类别域名（7 个）：ac（科研）、com（工商金融企业）、edu（教育）、gov（政府）、net（网络服务）、mil（军事）、org（非营利组织）。
行政区域名（34 个）：适用于各省、自治区、直辖市，如 bj（北京）、sh（上海）、js（江苏）。
com 既是通用顶级域名，也是我国 cn 下的二级类别域名。名称相同的域名其等级未必相同。
域名服务器
域名和 IP 地址的映射关系保存在域名服务器（DNS 服务器）中。DNS 使用分布在各地的域名服务器来实现域名到 IP 地址的转换。
域名服务器可以划分为四种类型：
| 类型 | 角色 | 职责 |
|---|---|---|
| 根域名服务器 | 最高层次 | 知道所有顶级域名服务器的域名和 IP 地址；通常不直接解析域名，而是返回应查询的顶级域名服务器 IP |
| 顶级域名服务器 | 管理二级域名 | 管理在其下注册的所有二级域名；返回最终的 IP 或下一级权限域名服务器的 IP |
| 权限域名服务器 | 负责具体域名 | 保存负责区域中主机的域名到 IP 地址的映射 |
| 本地域名服务器 | 离用户最近 | 用户主机发起 DNS 查询时首先被询问的服务器；通常由 ISP 提供 |
根域名服务器共有 13 个不同 IP 地址（a.root-servers.net 到 m.root-servers.net）。每个”服务器”实际上是由许多分布在世界各地的计算机构成的服务器群集。当本地域名服务器向根域名服务器查询时，路由器会把查询请求转发到离 DNS 客户最近的一个根域名服务器。
域名解析过程
DNS 查询有两种基本方式：递归查询和迭代查询。
递归查询
递归查询中，收到查询请求的域名服务器代替查询者去完成后续的所有查询，最终把结果返回给查询者。
特点：
- 查询者只需发出一次请求，等待最终结果。
- 被查询的服务器（特别是根域名服务器）负担很重。
- DNS 中很少全程使用递归查询。
迭代查询
迭代查询中，收到查询请求的域名服务器告诉查询者下一步该问谁，由查询者自己去继续查询。
特点：
- 查询者要多次发出请求，但每步都有进展。
- 服务器的负担较轻——只返回自己知道的信息。
实际使用的模式
因特网 DNS 实际采用的模式是二者结合：
- 主机向本地域名服务器的查询采用递归查询。
- 本地域名服务器向后继服务器的查询采用迭代查询。
这样既保证主机端的简单（一次请求等结果），又避免根域名服务器被递归查询压垮。
以查询 y.abc.com 的 IP 地址为例，完整过程如下：
- 主机向本地域名服务器递归查询。
- 本地域名服务器向根域名服务器迭代查询，根服务器返回
com顶级域名服务器的 IP。 - 本地域名服务器向
com顶级域名服务器迭代查询，返回abc.com权限域名服务器的 IP。 - 本地域名服务器向
abc.com权限域名服务器迭代查询，返回y.abc.com的 IP。 - 本地域名服务器将最终结果返回给主机。
DNS 报文使用运输层的 UDP 进行封装，熟知端口号为 53。
DNS 高速缓存
为了提高 DNS 的查询效率、减少因特网上的 DNS 查询报文数量，域名服务器和主机都广泛使用高速缓存。
- 域名服务器缓存：存放最近查询过的域名及映射信息。当其他主机查询同一域名时，直接返回缓存结果，不必再次迭代查询。
- 主机缓存：用户主机维护最近解析过的域名记录。应用或操作系统在本机缓存中找不到有效记录时，才向本地域名服务器查询。
域名到 IP 地址的映射关系不是永久不变的。域名服务器应为每项缓存内容设置计时器，删除超过合理时间的项目（如每个项目只存放两天）。主机也需要保持缓存中内容的正确性。