网络协议 16 - DNS 协议：网络世界的地址簿

    为什么在地址栏输入域名，就能直接访问到对应服务器？全局负载均衡和内部负载均衡又是什么？这些都和 DNS 解析息息相关，让我们一起来解密 DNS 解析。

    其实说起 DNS 解析，应该都知道它很像地址簿。就像我们去一家新开的沃尔玛超市，通过地址簿查出来沃尔玛在哪条路多少号，然后再去找。

    在网络世界中，也是这样的。我们可以记住网站的名称，但是很难记住网站的 IP 地址，因此需要一个“地址簿”，帮我们将网站名称转换成 IP。这个“地址簿”就是 DNS 服务器。

DNS 服务器

    对于 DNS 服务器而言，全球每个人上网，都需要访问它。
    而全球的网民数，据最新统计，已经有 40 亿，每个人都访问它，可想而知 DNS 服务器会有很大的访问流量压力（高并发）。
    而且，它还非常重要，一旦出了故障，整个互联网都将瘫痪（高可用）。
    此外，上网的人分布在全世界各地，如果大家都去同一个地方的某一台服务器，时延将会非常的（分布式）。

    因此，DNS 服务器一定要具备高可用、高并发、分布式的特点。

    基于此，DNS 服务器设计成树状的层次结构。如下图：

• 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

    上面说了 DNS 服务器面临大流量访问的压力，因此，为了提高 DNS 的解析性能，很多网站都会就近部署 DNS 缓存服务器。所以，我们常见的 DNS 解析流程就变成了：

1. 客户端发出 DNS 请求给本地域名服务器。我们访问博客园，客户端会问本地域名服务器， www.cnblogs.com 的 IP 是什么？（本地域名服务器，如果网络是通过 DHCP 配置，本地 DNS 是由你的网络服务商，如电信、联通等自动分配，它通常就在网络服务商的机房里）；
2. 本地 DNS 收到来自客户端的请求，查找“地址簿”，返回 IP 或请求根域名服务器。我们可以理解为服务器上缓存了一张域名与 IP 对应的大表，如果能找到 www.cnblogs.com，就直接返回对应的 IP 地址。如果没有找到，本地 DNS 会去问它的根域名服务器；
3. 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求，返回 .com 对应的顶级域名服务器的地址。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，而是指明怎样去查找对应 IP。它发现请求的域名后缀是 .com，就会返回 .com 对应的顶级域名服务器的地址；
4. 本地 DNS 服务器收到顶级 DNS 服务器地址，请求顶级 DNS 服务器查询域名 IP；
5. 顶级 DNS 服务器返回权威 DNS 服务器地址。顶级域名服务器就是大名鼎鼎的，负责 .com、.net、.org 这些二级域名，比如 cnblogs.com，它会返回对应的权威 DNS 服务器地址；
6. 本地 DNS 服务器收到权威 DNS 服务器地址，请求权威 DNS 服务器查询域名 IP。而 cnblogs.com 的权威 DNS 服务器就是域名解析结果的原出处；
7. 权威 DNS 服务器返回对应 IP。权威 DNS 服务器查询“地址簿”，获取到域名对应 IP 地址，返回给本地 DNS 服务器；
8. 本地 DNS 服务器收到 IP，返回给客户端；
9. 客户端与目标建立连接。

    至此，我们完成了 DNS 的解析过程，整个过程如下图：

负载均衡

    站在客户端角度，上述过程是一次 DNS 递归查询过程。因为本地 DNS 全权为它代劳，它只要坐等结果就好了。在这个过程中，DNS 除了可以通过名称映射为 IP 地址外，它还可以做另外一件很重要的事 - 负载均衡。

    还是拿我们逛沃尔玛超市为例。它可能在一个城市里会有多家店，我们要逛沃尔玛，可以就近找一家，而不用都去同一家，这就是负载均衡。

DNS 做负载均衡也有花样可以玩。
1）DNS 做内部负载均衡
    所谓的内部负载均衡，其实很好理解。就像我们的应用访问数据库，在应用里配置的数据库地址。如果配置成 IP 地址，一旦数据库换到了另外一台机器，我们就要修改配置。如果我们有很多台应用同时连一个数据库，一换 IP，就需要将这些应用的配置全部修改一遍，是不是很麻烦？所以，我们可以将数据地址配置成域名。在更换数据库位置时，只要在 DNS 服务器里，将域名映射为新的 IP 地址就可以了。

    在这个基础上，我们可以更进一步 。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因流量过大撑不住的时候，我们就需要部署多个应用。这时候，我们就不能直接配置成 IP，而是要配置域名了。只要在域名解析的时候，配置好策略，这次返回一个 IP，下次返回第二个 IP，就实现了负载均衡。

2）DNS 做全局负载均衡
    为了保证我们应用的高可用性，往往会将应用部署在多个机房，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，只要将这个 IP 地址从 DNS 服务器中删掉就可以了，用户不会访问到宕机的服务器，保证了应用的可用性。

    另外，我们肯定希望用户能访问就近的数据中心。这样客户访问速度就会快很多，体验也会好很多，也就实现了全局负载均衡的概念。

负载均衡示例

    我们通过 NDS 访问数据中心对象存储上的静态资源为例，来看一看整个过程。

    假设全国有多个数据中心，托管在多个运营商，每个数据中心有三个可用区。对象存储可以通过跨可用区部署，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）。那么，请求过程如下图：

1. 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；
2. 本地 DNS 解析器先查看本地的缓存是否有这个记录。如果有，就直接用，省略后续查询步骤，提高相应时间；
3. 如果本地无缓存，就需要请求本地的 DNS 服务器；
4. 本地 DNS 服务器一般部署在数据中心或者你所在的运营商网络中。本地 DNS 服务器也需要看本地是否有缓存，如果有，就直接返回；
5. 本地没有，通过第 5、6、7 步骤获取到 IP 地址，缓存到本地 DNS 解析器中，然后在返回给客户端。

    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.yourcompa.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。

    但是对于复制的应用，尤其是跨地域跨运营商的大型应用，就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.yourcompany.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。

上图中画了两层的 GSLB，是因为分运营商和地域。我们希望不同运营商的客户，可以访问对应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。两层 GSLB 的过程如下：

1. 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；
2. 第二层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器的地址，知道用户所在的地理位置，然后将距离用户位置比较近的一个 Region 的六个内部负载均衡的地址，返回给本地 DNS 服务器；
3. 本地 DNS 服务器将结果返回给本地 DNS 解析器；
4. 本地 DNS 解析器将结果缓存后，返回给客户端；
5. 客户端开始访问属于相同运营商的，且距离比较近的 Region1 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，从而实现对存储读写的负载均衡。

小结

• 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查询的方式，并通过缓存的方式加快效率；
• 在域名和 IP 的映射中，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，也可以是根据地址和运营商做的全局负载均衡。

参考：

1. 维基百科-域名系统 词条；
2. 知乎-域名解析；
3. 刘超 - 趣谈网络协议系列课；