域名系统的前世今生：一文读懂互联网的'门牌号

IP 协议的责任是网络互联，它在 MAC 层之上运行，使用 IP 地址将 MAC 地址转换为四位数，抽象出物理网卡的 MAC 地址，从而开发出许多“新玩法”。

例如，它被分为五种类型：A、B、C、D 和 E；公共和私有地址；子网掩码分段。只要每个小网络都同意 IP 地址的概念，无论它们在 MAC 层有多么不同，它们都可以访问 TCP/IP 协议栈，并最终汇聚到整个互联网中。

然而，随着越来越多的计算机连接到互联网，IP 地址的缺点暴露出来。主要问题是它“不够用户友好”。尽管它比 MAC 地址的十六进制数稍好，但仍然难以记住和输入。

如何解决这个问题？

解决方案在于“以火攻火”，在 IP 地址之上添加另一层抽象，将数值 IP 地址转换为更有意义且易于记住的名称。这引入了一种字符串级别的新玩法。于是，DNS（域名系统）应运而生。

域名的形式

域名是一个分层结构，由多个用‘.’分隔的单词组成。最右边的单词是顶级域名，其次是二级域名，层级从右向左递减。

最左边的部分是主机名，通常用于指示主机的用途。例如，“www”表示 Web 服务，“mail”表示邮件服务。不过，这并不是绝对的，关键是让我们容易记住。

域名不仅是 IP 地址的替代品，还有许多其他用途。

在像 Apache 和 Nginx 这样的 Web 服务器中，域名可以用来识别虚拟主机，并确定哪个虚拟主机提供外部服务。例如，在 Nginx 中可以使用 server_name 指令：

server {
    listen 80;                       
    server_name  time.geekbang.org;  
    ...
}

域名本质上是一个命名空间系统，使用多级域名来划分不同的国家、地区、组织、公司和部门。每个域名都是唯一的，可以作为身份标识。

例如，假设公司 A 有一个名叫 Garb 的人，公司 B 也有一个名叫 Joe 的人。他们可以分别称为 “Garb.Company A” 和 “Joe.Company B”。即使公司 B 也有一个名叫 Garb 的人，他们也可以被标记为 “Garb.Company B”，从而有效解决重复命名的问题。

由于这个特性，域名已扩展到其他应用领域。例如，Java 的包机制使用域名作为命名空间，但顺序相反。如果极客时间要开发一个 Java 应用程序，其包名可能是 org.geekbang.time。

在 XML 中，URI 被用作命名空间，这间接涉及域名的使用。

域名解析

就像访问主机需要将 IP 地址转换为 MAC 地址一样，域名也需要转换为 IP 地址。这个过程称为域名解析。

目前，全球有数十亿个网站，数十亿的互联网用户，每天在网络上发生的 HTTP 流量是天文数字。大多数请求在访问网站时是基于域名的，这使得 DNS 成为互联网的一个重要基础设施，必须确保稳定、可靠、快速和高效的域名解析。

DNS 的核心系统是一个三层树状分布式服务，对应域名的结构：

1. 根域名服务器：管理顶级域名服务器并返回诸如 com、net、cn 等服务器的 IP 地址；
2. 顶级域名服务器：管理其各自域下的权威域名服务器；例如，com 顶级域名服务器可以返回 apple.com 服务器的 IP 地址；
3. 权威域名服务器：管理其域下主机的 IP 地址；例如，apple.com 的权威域名服务器可以返回 www.apple.com 的 IP 地址。

其中，根域名服务器至关重要。它必须是众所周知的，否则对下层服务器的讨论是不可能的。目前，全球共有 13 组根域名服务器，拥有数百个镜像以确保可访问性。

有了这个系统，任何域名都可以在这个树结构中从上到下查询。就像从右到左顺序遍历域名，最终获得相应的 IP 地址。

例如，如果你想访问 www.apple.com，你需要进行三次查询：

1. 访问根域名服务器，它会提供 com 顶级域名服务器的地址。
2. 访问 com 顶级域名服务器，然后它会提供 apple.com 域名服务器的地址。
3. 最后，访问 apple.com 的域名服务器以获得 www.apple.com 的地址。

尽管核心 DNS 系统是全球分布的，具有强大而稳定的服务能力，但如果全世界的互联网用户都涌入这个系统，即使不会因拥堵导致瘫痪，访问速度也会变慢。

因此，除了核心 DNS 系统之外，还有两种方法可以缓解域名解析的压力并更快地获得结果——主要通过缓存。

首先，许多大公司和网络运营商建立了自己的 DNS 服务器，作为用户 DNS 查询的代理，而不是直接通过核心 DNS 系统访问。这些“野生”服务器称为 “非权威名称服务器” ，可以缓存以前的查询结果，这样如果记录已经存在，就不需要再次发送查询，而是可以直接返回相应的 IP 地址。

这些 DNS 服务器的数量远远超过核心系统中的服务器，而且大多数地理上靠近用户。一些知名的 DNS 服务器包括 Google 的 8.8.8.8、Microsoft 的 4.2.2.1、CloudFlare 的 1.1.1.1。

其次，操作系统也会缓存 DNS 解析结果，这样当你再次在浏览器中输入 www.apple.com 时，不会回到更高层次查询，而是直接从操作系统本地获取其 IP 地址。

此外，操作系统中有一个特殊的主机映射文件，通常是一个可编辑的文本文件。在 Linux 中，它位于“/etc/hosts”，在 Windows 中，它位于 C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\hosts。如果操作系统无法在缓存中找到 DNS 记录，它会查找此文件。

有了上述野生 DNS 服务器、操作系统缓存和 hosts 文件，许多域名解析工作可以轻松地在本地或本地计算机上解决。这不仅方便了用户，还减轻了各级 DNS 服务器的压力，大大提高了效率。

下图提供了当前 DNS 架构的一个相当全面的表示。

在 Nginx 中，有一个名为“resolver”的配置指令，用于配置 DNS 服务器。如果没有它，Nginx 将无法查询域名对应的 IP，因此无法反向代理到外部网站。

resolver 8.8.8.8 valid=30s;  # 指定 Google's DNS，缓存 30 秒。

域名的新玩法

有了域名和稳定的解析系统，我们现在可以实现比仅使用 IP 地址更多的新玩法。

重定向

第一个也是最简单的方法是重定向。因为域名取代了 IP 地址，外部服务可以保持相同的域名，而主机的 IP 地址可以自由更改。当需要下线或迁移主机时，可以更改 DNS 记录以将域名指向另一台机器。

例如，如果你有一个服务器为 buy.tv，需要临时维护关机，可以通知 DNS 服务器：“我的 buy.tv 域名地址已更改。以前是 1.2.3.4，现在是 5.6.7.8，请更新。”然后，DNS 将修改其内部的 IP 映射关系，使得任何对 buy.tv 的请求不再发送到主机 1.2.3.4，而是由 5.6.7.8 处理，确保业务服务不间断。

内部 DNS

第二种方法涉及利用 bind9 或其他开源软件设置内部 DNS 作为名称服务器，因为域名是命名空间。这样，我们可以对所有内部开发的服务使用域名；例如，数据库服务可以使用 mysql.inner.app，产品服务可以表示为 goods.inner.app。当启动网络通信时，不再需要硬编码 IP 地址，而是可以直接使用域名，这也结合了第一种方法的优点。

负载均衡

第三种方法结合了前两种方法——基于域名实现负载均衡。

这有两种方法可以实现，可以结合使用：

• 第一种方法是因为域名解析可以返回多个 IP 地址，所以一个域名可以对应多台主机。客户端接收到多个 IP 地址后，可以使用轮询算法将请求顺序发送到服务器，从而实现负载均衡。
• 第二种方法是配置域名解析的内部策略，返回离客户端最近的主机或当前服务质量最好的主机。这样，DNS 端将请求分配到不同的服务器，实现负载均衡。

上述所有内容都是关于可信赖的 DNS。如果存在一些恶意 DNS 服务器，它们还可以篡改域名，进行更多的恶意活动。这里有两个例子：

• 域名屏蔽，域名不解析，直接返回错误，阻止你获取 IP 地址，从而无法访问网站；
• 域名劫持，又称域名污染，当你想访问网站 A 时，DNS 返回给你的是网站 B。

幸运的是，互联网有许多好人，DNS 是互联网的基础设施。恶意 DNS 并不常见，所以你在浏览互联网时不需要过于担心。

这些是域名中的一些技巧和知识，了解这些有助于更好地使用和管理域名，提高互联网的使用体验。

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