浅浅了解与DNS有关的内容，仅作常识性学习

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DNS原理

域名系统(Domain Name System,DNS)是将域名解析到IP地址的一项互联网基础服务，提供该服务的服务器称为域名服务器(Domain Name Server)

域名(Domain)是一个在互联网上表示主机或主机组的名称，通过域名解析到服务器的IP地址。相比于晦涩难记的IP地址，域名共容易记忆

域名系统是一个分布式的系统，没有一台域名服务器拥有因特网上所有主机的映射。域名系统在结构上是一个四层树状层次结构，包括本地域名服务器、根域名服务器、顶级域名服务器、权威域名服务器

• 本地域名服务器(Local DNS)：严格来说，本地域名服务器并不属于DNS的层次结构，但它十分重要。每个网络服务提供商(ISP)，比如移动、电信，都有一台或多台本地DNS服务器。当主机发出DNS请求时，该请求首先被发往本地DNS服务器，本地 DNS 服务器起着代理的作用，并负责将该请求转发到 DNS 服务器层次结构中
• 根域名服务器(Root DNS)：当本地域名服务器无法查询到解析结果时，就会首先向根域名服务器询问。根域名服务器只负责管理顶级域名服务器的IP地址，因此它只会返回请求中顶级域名服务器的IP地址。不考虑镜像，全球一共有13个根域名服务器
• 顶级域名服务器(Top level DNS)：顶级域名服务器只负责管理在该顶级域名服务器下注册的二级域名，也就是权威域名服务器。请求发送到顶级域名服务器经处理后，返回请求中权威域名服务器的IP地址
• 权威域名服务器(Authoritative DNS)：在特定区域内具有唯一性，负责维护该区域内的域名与IP地址的映射关系。在DNS应答报文中，标志位AA表示本次DNS记录是否来自权威域名服务器，否则可能来自缓存

DNS解析分为递归查询和迭代查询两种方式。客户端与本地域名服务器之间一般采用递归查询，而DNS服务器之间一般采用迭代查询

递归查询的意思是：如果DNS服务器查找不到该域名，那么它将继续以客户端的身份，向其他DNS服务器发送查询的请求报文，客户端只负责等待查询结果

迭代查询的意思是：如果DNS服务器查找不到该域名，它不会替客户端完成后续的查询工作，而是告诉客户端接下来你该向哪一级别的域名服务器发送请求报文，随后客户端重新向这个新的DNS服务器发送请求报文

下面以查询小U的网站blog.starysky.top为例，说说DNS是如何解析的：

• 在向域名系统发送请求之前，客户端向本地域名服务器发送请求报文blog.starysky.top，问问它之前是否访问过小U的网站。如果有Cache并且Cache被命中且没有老化，本地域名服务器就会直接把小U网站域名的IP地址扔给客户端，查询就愉快地结束啦；如果没有Cache或者未命中等情况，就不得不开启一场麻烦的请求之旅
• 首先，本地域名服务器向根域名服务器发送查询请求报文blog.starysky.top，但是根域名服务器只长官顶级域名服务器，所以根域名服务器只能这么回答：“老哥啊，我只能给你.top顶级域名服务器的IP，剩下的事儿你找它去问吧”
• 本地域名服务器接着就向.top顶域发送请求报文blog.starysky.top，同样，顶级域名服务器只管辖注册在其下的权威域名服务器，因此只返回.starysky.top所在的权威域名服务器的IP
• 本地域名服务器最后向.starysky.top权威域名服务器请求blog.starysky.top，这样一套下来最后才能得到需要的IP地址，拿到后一边扔进自己的Cache中，一边返回给客户端
• 折腾完后，你打开了小U的网站

DNS协议定义了三种报文：查询报文、应答报文、更新报文。这些报文整体上由三部分构成：报文首部、请求问题、资源记录

1. 事务ID：用来关联DNS查询与应答，DNS客户端每次发送查询请求都会使用不同的ID，而服务器在响应中重复这个ID
2. 标志：报文的标志字段
3. 问题数：指定问题部分的个数
4. 回答资源记录数：指定应答部分中回答的资源条目数
5. 权威资源记录数：指定权威资源记录数
6. 附加资源记录数：指定附加资源记录数


问题用于表达具体查询的问题，问题个数与报文首部中的问题数字段一致.按照 DNS 查询的目的，DNS解析可以分为正向解析和反向解析。正向解析将域名解析为IP地址，而反向解析将IP地址解析域名。问题条目中，查询类型是比较重要的字段，这里列出常用的类型

回答资源记录、权威资源记录和附加资源记录的格式相同，其中 TTL(Time to Live, second)表示资源记录的生存时间，也就是允许缓存的时间。0表示该记录只能用于当前响应，不允许被缓存

一次完整的DNS查询过程需要访问多台DNS服务器才能得到最终的结果，这肯定会带来一定的时延。为了改善时延，DNS 服务并不是每次请求都要去访问DNS服务器，而是访问过一次后将DNS记录缓存在本地。具体来说，DNS服务是一个多级的缓存：

• 浏览器缓存-》操作系统缓存-》路由器缓存-》local DNS缓存-》DNS查询

缓存并不是永久有效的，DNS应答报文中的TTL决定了DNS记录在缓存中的有效时间，但TTL只是一个参考值，实际使用的缓存有效时间不一定等于该值

DNS的问题

一次完整的DNS查询过程需要访问多台DNS服务器才能得到最终的结果，这会带来一定的时延

DNS 缓存的存在虽然减少了时延，却是以牺牲一致性(consistency)为代价的

具体来说：Local DNS是分地区、分运营商的，在域名解析缓存的处理上，实现策略就不统一了。有时候Local DNS的解析结果可能不是最近、最优的节点，有的时候并不会遵从 TTL 的限制，而是设置一个固定时间。这就会导致域名指向新的IP地址后，一些客户端依然访问了缓存中旧的IP地址

除了运营商的缓存策略外，缓存投毒也是降低DNS可用性的原因。攻击者可以通过DNS劫持，利用DNS的缓存机制不对应答数据做检查的漏洞，诱骗DNS服务器缓存较大TTL的虚假DNS记录，从而长期欺骗客户端

由于DNS缺乏加密、认证、完整性保护的安全机制，容易引发网络完全问题。最常见的域名劫持攻击是针对DNS报文首部的事务ID进行欺骗，由于事务ID在查询报文和应答报文中是匹配的，因此伪装DNS服务器可以提前将事务ID相同的伪造报文发送到客户端，以实现域名劫持，把目标网站域名解析到错误的IP地址

UDP & TCP

用户数据包协议(User Datagram Protocol)，简称UDP，是基于IP之上开发的能够和应用打交道的协议，通过IP地址信息吧数据包发送给指定的客户端。每个想要访问网络的程序都需要绑定一个端口号，UDP再通过端口号吧数据包分发给对应的应用程序

• 数据包在传输过程中容易丢失
• 对于大文件传输，UDP存在截断的问题(最大数据包不超过512byte)，因此不能保证数据的可靠性。但UDP的传输速度非常快，因此常用于小规模数据的传输，或者不严格要求数据完整性的领域，比如在线视频等

传输控制协议(Transmission Control Protocol)，间成TCP，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通讯协议。在一个TCP连接中，会有三个过程：建立连接阶段、传输数据阶段、断开连接阶段

建立连接阶段是通过三次握手来建立客户端与服务器之间的连接。TCP提供面向连接的通讯传输，而面向连接是指数据通讯开始先做好两端之间的准备工作。

三次握手，是指在建立一个TCP连接时，客户端与服务器总共要发送三个数据包来确认连接的建立

三次握手的主要作用是：

• 确认双方的接收和发送能力
• 制定自己的初始化序列号，为后面的可靠性做准备
• 防止已失效的连接请求报文突然传达而产生错误

  三次握手的过程

  术语族：SYN(synchronous,建立联机)、seq(sequence number,顺序号码)、ack(acknowledgement,确认)、ACK(Acknowledgemnt,标识位)

刚开始客户端处于关闭Closed状态，服务器处于监听Listen状态，握手过程如下：

1. 客户端发送到服务器，客户端发送SYN报文给服务器，并且指明客户端初始化序列号ISN，即以SYN=1,seq=x的形式发送出去，此时客户端处于SYN_SEND状态
2. 服务器发送给客户端，服务器接收到客户端发送来的SYN包后，对该包进行确认后结束监听Listen状态，并返回一段TCP报文。报文中的标志位为SYN和ACK，表示确认客户端的报文seq序号有效，服务器能正常接受客户端发送的数据，并同意创建新连接，并以ACK=x+1,seq=y,SYN=1的形式发送出去，此时服务器进入SYN-RECV状态
3. 客户端发送到服务器，客户端接收到服务器发送的SYN+ACK包后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，从而结束SYN-SENT阶段，并返回最后一段报文，即以ACK=y+1,seq=x+1的形式发送给服务器。此时客户端处于ESTABLISHED阶段，服务器收到报文后也处于ESTABLISHED阶段

总结就是：

1. 首先发一个建立连接SYN=1和一个顺序号码seq=x
2. 服务器接收后，也发送建立连接SYN=1，同时发送确认将客户端顺序号码+1返回ACK=x+1，再带上自己的服务端顺序号码seq=y
3. 客户端再发送确认将服务端顺序号码+1返回ACK=y+1，再将客户端顺序号码也+1返回seq=x+1

   两次握手会有什么问题

   如果采用两次握手，客户端发送给服务器数据，服务器确认接收后就开始建立连接，会存在以下问题：
4. 客户端发送一次请求给服务器……指定时间后没响应再发了一个
5. 服务器先接收到后一个建立连接的请求。(前一个建立连接的请求，因为网络延迟等问题，在第二个之后达到了)
6. 服务器认为第二个请求是最新发的，于是向客户端发送确认报文段，同意建立连接，于是连接建立了(两次握手)
7. 这时候客户端还在等待最新的请求连接(第二次请求)，自动忽略服务器发送的关于第一个请求连接的响应，也不发送数据
8. 服务器一直等待客户端发送数据，服务器资源被占用

   三次握手过程的数据携带问题

   第三次握手的时候可以携带数据，第一第二次不可以携带数据。这是因为，如果第一次可以携带数据的话，有可能是恶意攻击服务器。这时候释放大量的数据，不理会服务器的的承受能力，会让服务器花费很多时间、内存空间接收报文

此时客户端和服务器都处于ESTABLISHED状态

这个阶段中，接收端需要对每个数据包进行确认操作。即接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端

如果发送端在规定时间内没有接收到接收端的反馈确认消息，那么判断丢包(数据包丢失)，从而触发自身的重发机制

一个大的文件在传输过程中会被拆分为多个小的数据包，接收端按照TCP头中的序号进行排序，保证组成完整的数据

数据传输完毕之后，需要终止连接，通过四次挥手来保证双方都能断开连接

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。

这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN(finish)来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭

1. 客户端发送给服务器：客户端以FIN=1,seq=u的形式发送给服务器，表示需要关闭客户端和服务器之间的数据传输，此时客户端处于FIN_WAIT状态
2. 服务器发送给客户端：服务器收到信息，先返回ACK给客户端，即以ACK=1,seq=v,ack=u+1的形式返回个客户端，表示收到客户端的报文，此时服务器处于CLOSE_WAIT状态
3. 服务器发送给客户端：服务器等待一会，看客户端是否还有数据没有发送过来。确认没有需要处理的数据后，就准备彻底分手，发送FIN给客户端，即以FIN=1,seq=w,ack=u+1的形式发送给客户端，此时服务器处于LAST_ACK状态
4. 客户端发送给服务器：客户端接收到FIN后，返回ACK报文作为应答，即以ACK=1,ack=w+1,seq=u+1的形式发送给服务器，此时客户端处于TIME_WAIT状态
5. 等客户端确保服务器收到自己的ACK报文，则变成CLOSED状态，服务器也变成CLOSED状态

1. 可能有一些数据因为网络延迟等问题没有发送到，直接关闭会导致这些数据没有接收到
2. 可能服务器也有一些数据要发送给客户端，要确保这些数据发送完

• TCP是面向连接的，UDP是无连接的，即发送数据前不需要先建立连接
• TCP提供可靠的服务，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按照顺序到达，适合大数据量交换
• UDP尽最大努力交付数据，但不保证可靠
• TCP是面像字节流的，UDP是面像报文的，并且即使网络堵塞也不会降低发送速率，因此会出现丢包现象
• TCP只能是一对一的，而UDP支持一对多
• TCP的首付较大，为20字节，而UDP只有8字节