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网络技术: DNS的机制 - 互联网的电话簿，名称解析的背后

只需输入「www.google.com」，为什么就能连接到目标服务器？本文将解说互联网最大的分布式数据库「DNS」的层级结构和名称解析的机制。

1. 人类与计算机的「语言障碍」

在互联网的世界里，所有的计算机和服务器都是通过被称为「 IP地址 （例如: 142.250.196.110）」的一串数字来确定位置的。 然而，要记住人类每天访问的所有网站的IP地址是不可能的。因为对人类来说，像「google.com」或「apple.com」这样的「 域名 （有意义的字符串）」要容易记住得多。

能够自动翻译并将这种「人类使用的域名」与「计算机使用的IP地址」联系起来的巨大系统就是「 DNS（Domain Name System） 」。 DNS经常被比作「互联网的电话簿」。如果你想知道山田先生的电话号码，就会在电话簿中查找「山田」，同样地，浏览器为了知道「google.com」的IP地址，在后台向DNS服务器进行查询。

2. 庞大分布式数据库的必要性

如果试图用「一台巨大的服务器」来管理世界上所有的域名和IP地址的对应表，会发生什么呢？ 来自世界各地的查询每秒将达到数亿次，服务器会立即崩溃，如果那台服务器坏了，世界上所有的人都将无法使用互联网。

因此，DNS被设计为一个「 分层分布式数据库 」，由世界各地的数十万台服务器协作并分布式地管理数据。这被称为计算机科学史上最成功、最大规模运行的分布式系统。

3. 域名的层级结构（树状结构）

为了理解DNS的机制，有必要了解域名的「结构」。 实际上，域名从右向左呈现分层（树状结构）。

例如，将 www.example.co.jp. 这个域名从右边开始分解如下：

  1. .（根）: 所有域名的顶点。实际上在所有的域名最后都隐藏着一个看不见的「.」。
  2. jp（顶级域名 / TLD）: 代表日本这个国家的层级。其他还有 .com 和 .net 等。
  3. co（二级域名）: 代表企业（company）的层级。
  4. example（三级域名）: 企业名称或组织名称。
  5. www（主机名）: 该组织内特定服务器（如Web服务器等）的名称。

在DNS的世界里，每个层级都配置了「负责的DNS服务器（权威DNS服务器）」，并且只知道其紧接下级负责人的联系方式（IP地址）。

4. 名称解析的过程：接力传递之旅

当你在浏览器中输入 https://www.example.co.jp 时，后台瞬间（几十毫秒）就进行了以下壮观的「名称解析（从名称查询IP地址）」过程。

  graph TD
    User(("你的PC/手机")) -->|"1. www.example.co.jp的IP是？"| Resolver["缓存DNS服务器 (运营商)"]
    Resolver -->|"2. 不知道，去问顶点"| Root["根DNS服务器 (全球13个系统)"]
    Root -->|"3. 去问jp负责人"| Resolver
    Resolver -->|"4. 去找jp负责人"| JPDNS[".jp 负责DNS服务器"]
    JPDNS -->|"5. 去问co.jp负责人"| Resolver
    Resolver -->|"6. 去找co.jp负责人"| CoJPDNS[".co.jp 负责DNS服务器"]
    CoJPDNS -->|"7. 去问example.co.jp负责人"| Resolver
    Resolver -->|"8. 去找example负责人"| ExampleDNS["example.co.jp 负责DNS服务器"]
    ExampleDNS -->|"9. www的IP是192.0.2.1哦"| Resolver
    Resolver -->|"10. 是192.0.2.1哦"| User
  1. 向缓存DNS服务器请求: 你的PC首先请求签约的运营商（如NTT或KDDI等）的「缓存DNS服务器」代为查询。
  2. 向根服务器查询: 如果运营商的服务器不知道答案，就会询问位于世界顶端的「根DNS服务器（全球只有13个系统）」。根服务器会回答：「我不知道，但我会告诉你 .jp 负责人的IP地址，去问他们吧」。
  3. 推诿式的接力: 运营商的服务器会去问被告知的 .jp 负责服务器，然后再问 .co.jp 负责服务器……就这样，一边逐层向下，一边不断被推诿（委派）。
  4. 最终回答: 最后到达管理 example.co.jp 的企业的DNS服务器，得到「www的IP地址是这个」的最终答案。

每当我们点击链接时，这个复杂的接力传递过程就会在全世界范围内进行。

5. 借助缓存力量的加速

如果每次都进行这样的接力传递，整个互联网的速度就会变慢，而且顶点的根DNS服务器将会瘫痪。

防止这种情况发生的就是「 缓存（临时保存） 」机制。 运营商的缓存DNS服务器将查询过一次的「google.com的IP地址」在一定时间（TTL：Time To Live）内记忆在内存中。 下次你或附近的人询问「google.com的IP地址是？」时，不用再去问全世界，而是可以立即（几毫秒内）回答：「刚才查过了，是这个哦」。

世界上99%以上的DNS查询都通过这种缓存被瞬间处理，这支撑着互联网舒适的速度。

6. 总结

DNS是我们平时完全意识不到的「幕后英雄」。 然而，如果没有20世纪80年代由保罗·莫卡佩特里斯（Paul Mockapetris）等人设计的这种分层分布式系统，现在庞大的互联网是绝对无法成立的。

散布在世界各地的数十万台DNS服务器，各自对其负责领域负责，通过接力传递相互合作。DNS是最完美地体现了互联网「自治去中心化」哲学的底层基础设施。

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