第18讲 | DNS协议：网络世界的地址簿

Jun 27, 2018

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第18讲 | DNS协议：网络世界的地址簿

2018-06-27 刘超来自北京

《趣谈网络协议》

课程介绍

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讲述：刘超

时长11:56大小5.49M

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前面我们讲了平时常见的看新闻、支付、直播、下载等场景，现在网站的数目非常多，常用的网站就有二三十个，如果全部用 IP 地址进行访问，恐怕很难记住。于是，就需要一个地址簿，根据名称，就可以查看具体的地址。
例如，我要去西湖边的“外婆家”，这就是名称，然后通过地址簿，查看到底是哪条路多少号。
DNS 服务器在网络世界，也是这样的。你肯定记得住网站的名称，但是很难记住网站的 IP 地址，因而也需要一个地址簿，就是 DNS 服务器。
由此可见，DNS 在日常生活中多么重要。每个人上网，都需要访问它，但是同时，这对它来讲也是非常大的挑战。一旦它出了故障，整个互联网都将瘫痪。另外，上网的人分布在全世界各地，如果大家都去同一个地方访问某一台服务器，时延将会非常大。因而，DNS 服务器，一定要设置成高可用、高并发和分布式的。
于是，就有了这样树状的层次结构。
- 根 DNS 服务器 ：返回顶级域 DNS 服务器的 IP 地址
顶级域 DNS 服务器：返回权威 DNS 服务器的 IP 地址
权威 DNS 服务器 ：返回相应主机的 IP 地址
DNS 解析流程为了提高 DNS 的解析性能，很多网络都会就近部署 DNS 缓存服务器。于是，就有了以下的 DNS 解析流程。
电脑客户端会发出一个 DNS 请求，问 www.163.com 的 IP 是啥啊，并发给本地域名服务器 (本地 DNS)。那本地域名服务器 (本地 DNS) 是什么呢？如果是通过 DHCP 配置，本地 DNS 由你的网络服务商（ISP），如电信、移动等自动分配，它通常就在你网络服务商的某个机房。
本地 DNS 收到来自客户端的请求。你可以想象这台服务器上缓存了一张域名与之对应 IP 地址的大表格。如果能找到 www.163.com，它就直接返回 IP 地址。如果没有，本地 DNS 会去问它的根域名服务器：“老大，能告诉我 www.163.com 的 IP 地址吗？”根域名服务器是最高层次的，全球共有 13 套。它不直接用于域名解析，但能指明一条道路。
根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求，发现后缀是 .com，说：“哦，www.163.com 啊，这个域名是由.com 区域管理，我给你它的顶级域名服务器的地址，你去问问它吧。”
本地 DNS 转向问顶级域名服务器：“老二，你能告诉我 www.163.com 的 IP 地址吗？”顶级域名服务器就是大名鼎鼎的比如 .com、.net、 .org 这些一级域名，它负责管理二级域名，比如 163.com，所以它能提供一条更清晰的方向。
顶级域名服务器说：“我给你负责 www.163.com 区域的权威 DNS 服务器的地址，你去问它应该能问到。”
本地 DNS 转向问权威 DNS 服务器：“您好，www.163.com 对应的 IP 是啥呀？”163.com 的权威 DNS 服务器，它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢？就是我的域名我做主。
权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和目标建立连接。
至此，我们完成了 DNS 的解析过程。现在总结一下，整个过程我画成了一个图。
负载均衡站在客户端角度，这是一次 DNS 递归查询过程。因为本地 DNS 全权为它效劳，它只要坐等结果即可。在这个过程中，DNS 除了可以通过名称映射为 IP 地址，它还可以做另外一件事，就是负载均衡。
还是以访问“外婆家”为例，还是我们开头的“外婆家”，但是，它可能有很多地址，因为它在杭州可以有很多家。所以，如果一个人想去吃“外婆家”，他可以就近找一家店，而不用大家都去同一家，这就是负载均衡。
DNS 首先可以做内部负载均衡。
例如，一个应用要访问数据库，在这个应用里面应该配置这个数据库的 IP 地址，还是应该配置这个数据库的域名呢？显然应该配置域名，因为一旦这个数据库，因为某种原因，换到了另外一台机器上，而如果有多个应用都配置了这台数据库的话，一换 IP 地址，就需要将这些应用全部修改一遍。但是如果配置了域名，则只要在 DNS 服务器里，将域名映射为新的 IP 地址，这个工作就完成了，大大简化了运维。
在这个基础上，我们可以再进一步。例如，某个应用要访问另外一个应用，如果配置另外一个应用的 IP 地址，那么这个访问就是一对一的。但是当被访问的应用撑不住的时候，我们其实可以部署多个。但是，访问它的应用，如何在多个之间进行负载均衡？只要配置成为域名就可以了。在域名解析的时候，我们只要配置策略，这次返回第一个 IP，下次返回第二个 IP，就可以实现负载均衡了。
另外一个更加重要的是，DNS 还可以做全局负载均衡。
为了保证我们的应用高可用，往往会部署在多个机房，每个地方都会有自己的 IP 地址。当用户访问某个域名的时候，这个 IP 地址可以轮询访问多个数据中心。如果一个数据中心因为某种原因挂了，只要在 DNS 服务器里面，将这个数据中心对应的 IP 地址删除，就可以实现一定的高可用。
另外，我们肯定希望北京的用户访问北京的数据中心，上海的用户访问上海的数据中心，这样，客户体验就会非常好，访问速度就会超快。这就是全局负载均衡的概念。
示例：DNS 访问数据中心中对象存储上的静态资源我们通过 DNS 访问数据中心中对象存储上的静态资源为例，看一看整个过程。
假设全国有多个数据中心，托管在多个运营商，每个数据中心三个可用区（Available Zone）。对象存储通过跨可用区部署，实现高可用性。在每个数据中心中，都至少部署两个内部负载均衡器，内部负载均衡器后面对接多个对象存储的前置服务器（Proxy-server）。
当一个客户端要访问 object.yourcompany.com 的时候，需要将域名转换为 IP 地址进行访问，所以它要请求本地 DNS 解析器。
本地 DNS 解析器先查看看本地的缓存是否有这个记录。如果有则直接使用，因为上面的过程太复杂了，如果每次都要递归解析，就太麻烦了。
如果本地无缓存，则需要请求本地的 DNS 服务器。
本地的 DNS 服务器一般部署在你的数据中心或者你所在的运营商的网络中，本地 DNS 服务器也需要看本地是否有缓存，如果有则返回，因为它也不想把上面的递归过程再走一遍。
至 7. 如果本地没有，本地 DNS 才需要递归地从根 DNS 服务器，查到.com 的顶级域名服务器，最终查到 yourcompany.com 的权威 DNS 服务器，给本地 DNS 服务器，权威 DNS 服务器按说会返回真实要访问的 IP 地址。
对于不需要做全局负载均衡的简单应用来讲，yourcompany.com 的权威 DNS 服务器可以直接将 object.yourcompany.com 这个域名解析为一个或者多个 IP 地址，然后客户端可以通过多个 IP 地址，进行简单的轮询，实现简单的负载均衡。
但是对于复杂的应用，尤其是跨地域跨运营商的大型应用，则需要更加复杂的全局负载均衡机制，因而需要专门的设备或者服务器来做这件事情，这就是全局负载均衡器（GSLB，Global Server Load Balance）。
在 yourcompany.com 的 DNS 服务器中，一般是通过配置 CNAME 的方式，给 object.yourcompany.com 起一个别名，例如 object.vip.yourcomany.com，然后告诉本地 DNS 服务器，让它请求 GSLB 解析这个域名，GSLB 就可以在解析这个域名的过程中，通过自己的策略实现负载均衡。
图中画了两层的 GSLB，是因为分运营商和地域。我们希望不同运营商的客户，可以访问相同运营商机房中的资源，这样不跨运营商访问，有利于提高吞吐量，减少时延。
第一层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器所在的运营商，就知道用户所在的运营商。假设是移动，通过 CNAME 的方式，通过另一个别名 object.yd.yourcompany.com，告诉本地 DNS 服务器去请求第二层的 GSLB。
第二层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器所在的地址，就知道用户所在的地理位置，然后将距离用户位置比较近的 Region 里面，六个内部负载均衡（SLB，Server Load Balancer）的地址，返回给本地 DNS 服务器。
本地 DNS 服务器将结果返回给本地 DNS 解析器。
本地 DNS 解析器将结果缓存后，返回给客户端。
客户端开始访问属于相同运营商的距离较近的 Region 1 中的对象存储，当然客户端得到了六个 IP 地址，它可以通过负载均衡的方式，随机或者轮询选择一个可用区进行访问。对象存储一般会有三个备份，从而可以实现对存储读写的负载均衡。
小结好了，这节内容就到这里了，我们来总结一下：
DNS 是网络世界的地址簿，可以通过域名查地址，因为域名服务器是按照树状结构组织的，因而域名查找是使用递归的方法，并通过缓存的方式增强性能；
在域名和 IP 的映射过程中，给了应用基于域名做负载均衡的机会，可以是简单的负载均衡，也可以根据地址和运营商做全局的负载均衡。
最后，给你留两个思考题：
全局负载均衡为什么要分地址和运营商呢？
全局负载均衡使用过程中，常常遇到失灵的情况，你知道具体有哪些情况吗？对应应该怎么来解决呢？
我们的专栏更新过半了，不知你掌握得如何？每节课后我留的思考题，你都有没有认真思考，并在留言区写下答案呢？我会从已发布的文章中选出一批认真留言的同学，赠送 **学习奖励礼券和我整理的独家网络协议知识图谱**。
欢迎你留言和我讨论。趣谈网络协议，我们下期见！

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精选留言(136)

iiwoai
2018-06-27
图谱应该都给赠送才对啊
共 3 条评论
308
^_^
2018-06-27
老师，独家网络协议知识图谱，这么好的东西，应该阳光普照，哈哈
共 1 条评论
126
公告-SRE运维实践
2018-08-19
分地址和运营商主要是为了返回最优的ip，也就是离用户最近的ip，提高用户访问的速度，分运营商也是返回最快的一条路径。gslb失灵一般是因为一个ns请求gslb的时候，看不到用户真实的ip，从而不一定是最优的，而且这个返回的结果可能给一个用户或者一万个用户，可以通过流量监测来缓解。
作者回复: 对的
共 6 条评论
97
coldfire
2018-06-27
从真名到别名怎么完成均衡负载，感觉没讲清楚，对于小白来说这就是一笔带过留了个影响
共 3 条评论
41
Garwen
2019-05-05
刘超老师，根域名服务器的访问不还是无法逃离高并发访问的场景吗，虽说本地的DNS已经可以解决80%请求的地址解析，但还是会有极其庞大数量的访问需要去找根域名服务器的吧，这里的根域名服务器的高并发场景不比12306小吧，是如何解决的呢？
作者回复: 一方面，dns要求有缓存。另一方面，根服务器没有12306业务逻辑这么复杂，什么各种高铁段的计算啊，而且涉及事务，两个人不能同一个位置，涉及支付。根服务器基本只需要维护下一级别的就可以了，而下一个级别的相对稳定，而且都是静态的。所以支撑过双十一我们就知道，凡是静态的，我有一万种方式可以搞定，就怕落数据库
共 3 条评论
33
知识改变命运
2018-06-27
感谢刘老师的讲解！这几次课的理解程度好多了！话说不是不愿意回答思考题，而是小白无力回答~最后，同求知识图谱~多谢多谢
21
upstream
2018-06-27
问题1，分成两级还是在于国内网络跨运营商访问慢问题2，如果用户是上海电信，用户本地dns不是用的电信dns服务器，负载均衡调度会不准确。针对app的可以httpdns 针对网站的除非能支持edns协议才比较好。另外当用户使用阿里云这类anycast 地址时，不清楚gslb调度策略如何的
14
upstream
2018-06-27
虽然有了域名，但对于大多数人而言，能记住的就那么一两个网站地址。于是，打开baidu.com 搜索想要打开的网站，也就不奇怪了。打开baidu.com 搜索谷歌，再去访问Google 也就成为很多人的默认行为。说白了，也还是记不住域名。 Baidu.com 搜索qq邮箱的大有人在
共 3 条评论
14
jim
2018-11-28
浏览器，路由器也有缓存吧？
作者回复: 是的
共 3 条评论
14
alexgzh
2019-07-20
以前只知道DNS是方便記憶。今天學到了DNS其實是解耦應用和被訪問應用的IP地址，還有局部負載均衡和全局負載均衡的功能, 學到了！！
作者回复: 对的，负载均衡
12
古夜
2019-04-19
这一课看懂了，还联想到了ping百度域名有时候返回ip不一样的问题，感谢
作者回复: 对的
11
杨春鹏
2018-09-12
当访问网站的时候，是先去访问host文件还是，本地DNS缓存？
作者回复: host
10
胸怀宇宙瓜皮李
2019-07-14
确实不是很理解为什么需要两次的全局负载均衡？为什么不在第一次的负载均衡中，直接获取DNS服务器所在地址和DNS服务提供商？
作者回复: 不是所有的人都要两层
7
一粟
2018-07-15
要解析本地DNS缓存，需要启动DNS Sclient服务，此服务不开启hosts配置会失效。
共 1 条评论
6
极客时间
2019-06-17
引用原文中的话： “在 yourcompany.com 的 DNS 服务器中，一般是通过配置 CNAME 的方式，给 object.yourcompany.com 起一个别名，例如 object.vip.yourcomany.com，然后告诉本地 DNS 服务器，让它请求 GSLB 解析这个域名，GSLB 就可以在解析这个域名的过程中，通过自己的策略实现负载均衡” 这里有一句没明白，告诉本地服务器，让object.vip.yourcomany.com域名去GSLB解析，这个应该如何告诉呢
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作者回复: 返回给他就可以了。
共 7 条评论
6
LongXiaJun
2018-06-27
😃😃😃现在一周三天都在期待专栏更新~
5
起风了001
2019-05-22
好像设置GSLB是通过添加NS记录实现的, 不是CNAME呀.
作者回复: 通过添加NS也是可以的
共 2 条评论
4
曾经瘦过
2018-10-18
报名太晚了不知道是否还可以获得独家网络知识图谱和学习奖励券
作者回复: 图谱最后一篇里面有啊
共 3 条评论
4
C++大雄
2021-08-07
文中有一处不严谨，DNS分为迭代查询和递归查询，图三中5-9的查询应该是迭代，3是递归
4
雷刚
2020-04-10
ISO 七层协议中每一层都有自己的寻址方式：应用层用过域名（主机名）寻址，网络层通过 IP 寻址，链路层通过MAC 寻址。这样每一层都是独立的，但不同层之间交流时就需要进行地址转换： 1. DNS 协议：将域名转换为 IP 地址。 2. ARP 协议：将 IP 转换为 MAC 地址。
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