3.5 域名系統工作原理

主機的標識方式：域名 vs IP 地址

在因特網上，每臺主機（設備）都需要被唯一標識，主要有兩種標識方式：

1. 主機名（域名）
   例如：www.tencent.com（騰訊）、www.aliyun.com（阿里云）、mail.163.com（網易郵箱）。

   • 優點：便于人類記憶，用戶能通過名稱快速訪問服務；
   • 缺點：無法直接定位主機位置，僅能通過域名推測（如.com為商業網站，.edu為教育機構）。

2. IP地址
   例如：121.7.106.83（騰訊服務器）、114.34.126.120（阿里云服務器）。

   • 優點：具有嚴格的層次結構，能精確描述主機在網絡中的位置，便于路由器快速定位；
   • 缺點：由4個數字組成（如121.7.106.83），不易記憶。

IP地址的層次結構：由4個字節（32位）組成，每個字節用句點分隔（范圍0-255）。例如121.7.106.83的結構類似郵政地址：

• 第一級（121）：主網絡（類似省級行政區）；
• 第二級（7）：子網絡（類似城市）；
• 第三級（106）：具體網絡（類似街道）；
• 第四級（83）：主機（類似門牌號）。
  路由器可根據IP地址的層級逐步定位目標主機。

標識轉換機制：DNS系統

域名便于記憶，IP地址便于網絡定位，DNS（域名系統） 的作用是將兩者關聯。
域名系統（Domain Name System, DNS） 是因特網的命名系統，用于將便于人類記憶的主機名（如www.taobao.com）轉換為機器處理的IP地址。

• 工作原理類比：訪問“騰訊官網”時，無需記住IP地址（如121.7.106.83），輸入www.tencent.com后，DNS會自動將域名解析為對應IP地址。
• 技術特性：采用客戶/服務器模型，協議運行在UDP之上，使用53號端口。
• 概念組成：層次域名空間、域名服務器、域名解析過程。

DNS核心功能：

• 域名解析：將www.tencent.com轉換為121.7.106.83；
• 負載均衡：一個域名對應多個IP地址，實現流量分發（如騰訊視頻引導用戶至最近服務器）；
• 緩存加速：減少重復解析開銷，提升訪問速度。

因特網的域名系統：層次域名空間🐦?🔥

互聯網早期采用非等級的平鋪式名字空間（類似電話簿），但隨著用戶激增，出現命名沖突風險高、擴展性差、管理復雜等問題。1983年后改用層次樹狀結構（Domain Name Hierarchy），將域名劃分為多級子域。

域名的空間樹狀結構：

• 域名結構：任何主機或路由器的唯一層次結構名稱即域名（Domain Name）。域可劃分為子域，形成頂級域、二級域、三級域等。
• 標號規則：域名由多個標號組成，用點（.）分隔（如www.baidu.com為“三級域名.二級域名.頂級域名”）。
  1. 僅允許英文字母、數字、連字符（-），英文不區分大小寫；
  2. 除連字符外不能使用其他標點；
  3. 每個標號不超過63個字符，完整域名最長255個字符；
  4. 級別最低的域名在最左，頂級域名在最右。
• 管理機制：各級域名由上一級管理，頂級域名由ICANN管理，不規定域名層級數量和每級含義。

頂級域名分類

1. 國家(地區)頂級域名(nTLD)：采用ISO 3166標準，如“.cn”（中國）、“.us”（美國）。
2. 通用頂級域名(gTLD)：
   • 基礎類：.com（商業）、.net（網絡服務）、.org（非營利組織）；
   • 行業類：.tech（科技）、.shop（電商）、.gov.cn（中國政府）；
   • 品牌類：.alibaba（阿里巴巴）、.tencent（騰訊）。
3. 基礎結構域名(arpa)：用于IP地址反向解析為域名。

低級域名與管理

• 我國二級域名：采用“類別+行政區劃”雙軌制。
  • 類別域名：ac（科研）、com（企業）、edu（教育）、gov（政府）等7個；
  • 行政區域名：34個，如bj（北京）、sh（上海）。
• 申請機制：
  • 國家頂級域名（如.cn）由CNNIC管理，通過阿里云等注冊商申請；
  • 國際頂級域名（如.com）由ICANN授權注冊商（如GoDaddy）管理。

域名與IP的區別

• 域名：邏輯標識，與物理位置無關（如aliyun.com服務器可分布多地）；
• IP地址：物理定位，32位（IPv4）或128位（IPv6），便于路由器查找；
• 對應關系：非一一對應，一個IP可托管多個域名（虛擬主機），一個域名可對應多個IP（負載均衡）。

因特網的域名系統：域名服務器🥝

域名與IP的對應關系存儲在域名服務器中，信息分布在各地以保證性能、安全和可靠性。一個服務器的管轄范圍稱為區（≤域），每個區設權限域名服務器，保存該區主機的域名-IP映射，且能查詢其他服務器。

域名服務器類型🧾

1. 根域名服務器：最高層次，知道所有頂級域名服務器的域名和IP。全球共13個不同IP的根服務器（實際為服務器群集），不直接解析域名，僅告知下一步查詢的頂級服務器IP。
2. 頂級域名服務器：管理旗下二級域名，返回最終結果或下一級權限服務器IP（如.cn服務器管理.edu.cn、.net.cn）。
3. 權限域名服務器：管理特定區，保存該區域名-IP映射及下級服務器地址（如阿里云服務器管理aliyun.com區）。
4. 本地域名服務器：非等級結構，接收主機的DNS請求并轉發至其他服務器，返回結果。由ISP、大學等提供（如電信114.114.114.114），IP通過DHCP自動分配，具有緩存功能。

因特網的域名系統：域名解析過程🥝

域名解析是將域名轉換為IP地址的過程。客戶端通過DNS客戶端構造請求報文，以UDP發送至本地域名服務器。

解析方式

1.遞歸查詢：本地域名服務器替主機完成全部查詢過程，用戶無需關心中間步驟。

2. 迭代查詢：服務器僅返回下一步查詢的服務器地址，由客戶端或上一級服務器繼續查詢，減少單個服務器負載。

實際模式：用戶到本地DNS為遞歸查詢，本地DNS到其他服務器為迭代查詢。

示例：訪問www.tencent.com

1. 用戶輸入域名，瀏覽器調用本地DNS客戶端；
2. 本地DNS查詢流程：
   • 無緩存時，向根服務器查詢；
   • 根服務器返回.com頂級服務器IP；
   • 頂級服務器返回tencent.com的權威服務器IP；
   • 權威服務器返回www.tencent.com的IP（如121.7.106.83）；
3. 瀏覽器通過IP向騰訊服務器的80/443端口發起TCP連接，加載網頁。

DNS的延遲與優化

DNS查詢會產生時延，可通過以下機制優化：

• 本地緩存：操作系統或路由器緩存解析記錄（TTL時間內有效）；
• 運營商DNS優化：如騰訊云、阿里云提供公共DNS（114.114.114.114）；
• CDN技術：解析至離用戶最近的服務器，縮短物理距離。

DNS廣泛應用于SMTP（電子郵件）、游戲服務器等場景。

DNS緩存

DNS緩存是指服務器暫時存儲解析結果，供后續相同查詢直接使用（類似圖書館借閱記錄）。緩存內容包括域名-IP映射、TLD服務器地址等，每條記錄有生存時間（TTL），超時后自動清除以保證正確性。

• 局限性：
  1. 數據過期風險：域名IP變化但緩存未更新可能導致解析錯誤，需合理設置TTL或手動刷新；
  2. 安全性挑戰：可能被DNS劫持，需結合DNSSEC驗證數據合法性。

DNS的其他重要服務：別名管理與負載均衡

別名管理

主機可設置多個別名便于記憶，規范主機名為唯一正式名稱（如mail-server-01.shanghai.tencent.com），別名為用戶熟悉的名稱（如mail.tencent.com），通過DNS映射到規范名稱。
郵件服務器通過MX記錄實現別名化，定義域名的郵件服務器地址（如163.com的MX記錄指向多個服務器）。

負載均衡

大型網站通過DNS輪詢技術分配流量：服務器按順序返回同一域名的多個IP，用戶設備選擇第一個IP連接，通過輪換IP順序實現負載均衡（如video.qq.com返回多個服務器IP）。

DNS核心規范由RFC 1034和RFC 1035定義，復雜性體現在分層結構、緩存機制和安全擴展（如DNSSEC）。

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