🖋️作者： 千石🌟
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前言
前段时间在朋友的推荐下阅读了 《DNS与Bind》 这本书，里面有涉及到 DNS消息格式 的内容，我对这部分比较感兴趣，遂做一下记录。
什么是DNS
DNS，（即Domain Name System，翻译为域名系统）是互联网的基础服务之一，它的主要职责是将人类可读的域名（如 example.com）转换为机器可识别的IP地址（如 192.0.2.1）。它使得我们可以通过易于记忆的名称来访问网站，而无需记住复杂的数字序列。
在《DNS与Bind》这本书的第一章的1.3小节（第五版第4页）有这样一段描述：
域名系统是一个分布式数据库。这种结构充许对整体数据库的各个部分进行本地控制，并且在各个部分中的数据通过客户端/服务器（client/server）模式变得对整个网络都可用。通过复制和缓存等机制，DNS拥有了健壮性和充足的性能。
……
域名被当做DNS数据库的索引来使用。可以把域名同DNS中的数据对应起来。在文件系统中，目录包含文件和子目录。同样，域也包含主机和子域。域中所包含的主机和子域的域名，就位于该域所属的命名空间的子树中。
简单来说，DNS是一个分布式数据库，由分散在世界各地的DNS服务器组成，它通过索引域名来高效地管理和定位网络中的主机和子域。
(图片来自于《DNS与Bind》图2.5，主机在此处通过域名来表示)
关于DNS更详细的内容可以阅读《DNS与Bind》和《计算机网络：自顶向下方法》这两本书，写的非常详细，这里不再赘述。
DNS报文概述
DNS消息格式，作为网络通信的核心组成部分，对于理解域名解析至关重要。它的结构精细且功能全面，保证了每次DNS查询的精确处理和有效响应。那么，这一格式是如何组织的，以确保高效的信息交换呢？
DNS消息的组成
DNS消息由五个主要部分构成：Header、Question、Answer、Authority和Additional。每部分都具有特定的功能，共同完成DNS查询的整个过程。这里的关键是理解每个部分的作用及其在整体消息流中的重要性。
Header部分：消息的导航仪
在DNS消息格式中，Header部分是整个消息处理的关键。这个部分虽然在整个消息中占据的字节较少，但其重要性不容小觑。
结构和组成
Header部分通常包括12个字节，由多个字段组成，包括事务ID、标志、问题数、回答数、权限记录数和额外记录数。事务ID是一个16位的数字，用于标识特定的DNS查询，确保请求和响应之间的一致性。接下来的标志字段则包含了多个控制位，如QR（查询/响应标识）、AA（授权回答标识）等。
截取自rfc1035，下同
1 1 1 1 1 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| ID |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|QR| Opcode |AA|TC|RD|RA| Z | RCODE |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| QDCOUNT |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| ANCOUNT |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| NSCOUNT |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| ARCOUNT |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
事务ID
事务ID的主要作用是区分不同的DNS查询。当一个DNS客户端向服务器发送查询时，它会生成一个随机的事务ID，并在收到响应时检查此ID以验证响应的有效性。这种机制增加了DNS查询的安全性，防止了响应的伪造。
标志字段
标志字段是Header部分中最复杂的元素。它包括多个不同的位，每个位都有其特定的意义。例如，QR位表示消息是查询（0）还是响应（1），AA位表示是否是权威回答，TC位表示消息是否被截断，RD位和RA位分别表示递归查询和递归回答的可用性。这些标志的正确设置对于DNS消息的正确处理至关重要。
计数字段
Header部分还包含了四个计数字段，分别表示问题、回答、授权记录和额外记录的数量。这些字段对于解析DNS消息的结构非常重要，因为它们指示了随后每个部分的记录数。
总之，Header部分在DNS消息中充当控制中心的角色，通过事务ID和标志字段等信息确保查询的一致性、安全性和正确处理。
Question部分：查询的焦点
DNS消息格式中的Question部分是整个查询过程的出发点，它定义了DNS查询的具体目标和类型。
结构和组成
Question部分通常包括查询的域名（QNAME）、查询类型（QTYPE）和查询类（QCLASS）。域名字段指明了需要解析的具体域名，如“example.com”。查询类型字段则指定了查询的种类，例如A记录（IP地址）、MX记录（邮件交换服务器）等。查询类字段通常指的是IN（Internet），表示Internet类的查询。
1 1 1 1 1 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| |
/ QNAME /
/ /
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| QTYPE |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| QCLASS |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
查询类型
在DNS查询中，不同的查询类型扮演着不同的角色。A记录查询用于获取域名对应的IP地址，MX记录查询用于查找处理电子邮件的服务器地址，CNAME记录则用于查找一个域名的规范名称。
域名字段
Question部分中的域名字段是整个DNS查询的核心。DNS客户端通过这个字段向服务器提出“我需要这个域名的哪些信息？”的问题。这个字段的正确格式化和解析对于整个查询过程的成功至关重要。
查询类
查询类（QCLASS）在大多数情况下都是IN。简单来说，当在DNS查询中指定查询类为IN时，这意味着查询是针对互联网（Internet）的资源记录。例如，当查询一个域名的A记录（用于寻找与域名关联的IPv4地址）或者AAAA记录（用于寻找与域名关联的IPv6地址）时，这些都是Internet类的查询。
虽然DNS协议理论上支持不同种类的网络（如CHAOS或Hesiod），但在实际应用中，绝大多数DNS查询都是针对互联网的，因此IN类是最常见和最广泛使用的类别。
总之，Question部分是DNS查询的明确指向，它通过域名、查询类型和查询类，告诉DNS服务器具体需要哪种类型的信息。
在DNS消息格式中，Answer、Authority和Additional部分共同构成了对Question部分查询的完整回应。它们不仅提供了查询请求的直接答案，还给出了权威源信息和额外的辅助数据。在以下内容中，我们将详细探讨这三个部分的作用和重要性。
Answer、Authority和Additional部分：构成DNS响应的核心元素
结构和组成
Answer、Authority和Additional包含相同的字段，如下：
1 1 1 1 1 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| |
/ /
/ NAME /
| |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| TYPE |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| CLASS |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| TTL |
| |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
| RDLENGTH |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--|
/ RDATA /
/ /
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
Answer部分：直接响应
Answer部分是对Question部分提出的查询的直接回答。例如，如果Question部分查询了某个域名的A记录，那么Answer部分将包含该域名的IP地址。这部分可以包含多个资源记录（RR），每个资源记录包含了名称、类型、类别、生存时间（TTL）、数据长度和数据本身。这些信息共同提供了关于查询结果的全面细节，如IP地址、主机名或其他相关信息。
Authority部分：权威引导
Authority部分包含权威名称服务器的信息，这些服务器是对查询域名具有权威的。在一些情况下，如果DNS服务器本身不包含请求的答案，它会提供权威名称服务器的信息，指导查询者到正确的服务器寻找答案。
Additional部分：辅助信息
Additional部分提供与查询相关的额外信息，这些信息虽不直接回答查询请求，却对完成整个查询过程大有帮助。例如，它可能包含权威服务器的地址记录，从而避免了对这些服务器再次进行DNS查询。
Bind中的DNS报文处理
BIND（Berkeley Internet Name Domain）是一个开源的DNS服务软件，被许多企业和教育机构用于DNS查询和域名解析。它支持广泛的DNS协议标准，包括递归和迭代查询，以及各种类型的DNS记录处理。
DNS报文处理流程图如下：
（插个题外话，做计网DNS实验的时候，老师让我们用古早版本的OpenSUSE，出了各种幺蛾子，一个实验做了一下午，后来换了OpenCloudOS重新做实验，说多了都是泪qwq）
DNS报文处理的初始阶段
当BIND接收到一个DNS查询报文时，首先会解析Header部分，确定事务ID和标志字段。这一阶段是确定报文类型（如查询或响应）和提取基本操作信息的关键步骤。接下来，BIND会检查Question部分，了解查询的具体目标和类型。
查询类型的处理
BIND根据Question部分中指定的查询类型，决定如何处理该查询。对于常见的A记录查询，BIND会查找其本地缓存，如果有可用的答案，则直接返回。若无，BIND会根据配置决定是进行递归查询还是返回迭代查询的引导。
递归查询处理
在进行递归查询时，BIND会向上游的根服务器或顶级域名服务器发送查询请求，并逐步获取信息直到找到最终答案。这一过程中，BIND会充分利用其缓存机制，以提高效率和响应速度。递归查询的结果会被缓存以应对未来的相同请求。
迭代查询的引导
对于迭代查询，BIND会提供指向更具体名称服务器的引导信息。这通常涉及Authority和Additional部分的信息，如名称服务器的记录和对应的IP地址。
缓存和超时机制
BIND的一个关键特点是其强大的缓存机制。它会存储先前查询的结果，包括所有相关的记录信息，以加速未来的查询处理。同时，为保证信息的最新性，BIND实施了生存时间（TTL）的超时机制，确保过时的记录被及时更新或删除。
安全性考虑
考虑到DNS攻击的可能性，如缓存投毒和DNS放大攻击，BIND在处理DNS报文时采取了一系列安全措施。这包括验证响应的合法性，确保事务ID和请求匹配，以及限制对特定类型查询的响应，从而增强了整体的DNS服务安全性。
DNS查询机制
在DNS查询过程中，递归查询和迭代查询是两种基本的解析机制。
递归查询：一站式解析
在递归查询中，当一个DNS客户端（如计算机）向其配置的DNS服务器（通常是本地ISP的服务器）请求解析一个域名时，这个服务器将负责处理整个查询过程，直至获得最终答案。如果此服务器没有缓存该域名的解析结果，它会作为客户端向其他服务器进行查询，直到找到答案或到达查询链的末端。
在这个过程中，DNS消息格式的每一部分都被充分利用。例如，Header部分在每次请求和响应中保持一致性；Question部分指定了查询的具体域名和类型；Answer部分在最终响应中给出了所需的记录；而Authority和Additional部分在必要时提供进一步的指导和信息。
迭代查询：逐步寻址
迭代查询则有所不同。在这种模式下，客户端的DNS服务器向根服务器发起查询。根服务器不会直接回答查询，而是提供一个指向更具体名称服务器的引导（如顶级域名服务器）。然后，客户端的DNS服务器继续向这些服务器进行查询，逐步逼近最终答案。
在迭代查询中，DNS消息格式同样发挥着关键作用。Header部分在每一步的请求和响应中维护着事务的一致性；Question部分在整个查询过程中保持不变，确保查询的目标明确；Authority部分在每一步提供了更接近答案的名称服务器信息；Additional部分有时也会提供辅助信息，如名称服务器的IP地址，以加速查询过程。
一个例子🌰
让我们回顾之前的例子：假设一个设备要解析“example.com”。在递归查询中，本地DNS服务器执行所有查询步骤，最终将解析结果返回给设备。而在迭代查询中，本地服务器将逐步与根服务器、顶级域名服务器和权威名称服务器交互，每一步都使用DNS消息格式来保证查询的正确执行。
最后
通过撰写这篇文章文章，我发现自己对这些概念的理解还有提升的空间。原以为自己已经能够清晰较为地阐述这些复杂的技术细节，但在真正写作的过程中，我意识到在某些部分上我的表达还不够流畅。
我深刻认识到，理论知识和实际应用能力之间还有一段距离。因此，我更加坚信了踏实学习的重要性，同时也意识到不能抱有侥幸心理。对我而言，这不仅是一次学习的机会，也是一个自我提升的过程。共勉。