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听说 DNS 根服务器只有 13 台,到底科不科学

2022-12-14 21:09小白debug DNS服务器

听说DNS根服务器只有13台,科学吗?

我们来展开今天的话题。

DNS 是基于 UDP 的应用层协议吗?

当我们执行 dig www.baidu.com 时,操作系统会发出 dns 请求,去询问 www.baidu.com 域名对应的 IP 是多少。

$ dig www.baidu.com

;  DiG 9.10.6  www.baidu.com
 global options: +cmd
 Got answer:
 -HEADER- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 61559
 flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 3, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1

 OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4000
 QUESTION SECTION:
;www.baidu.com.   IN A

 ANSWER SECTION:
www.baidu.com.  298 IN CNAME www.a.shifen.com.
www.a.shifen.com. 298 IN A 180.101.49.12
www.a.shifen.com. 298 IN A 180.101.49.11

此时,从抓包上来看,DNS 作为应用层协议,在传输层确实是用了 UDP 协议。

听说 DNS 根服务器只有 13 台,到底科不科学

传输层使用了 UDP 协议

但是,其实 RFC 5966 中提到。

# https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc5966
 This document updates the requirements for the support of TCP as a transport protocol for DNS implementations.

也就是说虽然我们大部分情况下看到 DNS 使用 UDP,但其实 DNS 也是支持 TCP 的。

当我们在 dig 命令里加上 + tcp 的选项时,就可以强制 DNS 查询使用 TCP 协议进行数据传输。

$ dig +tcp www.baidu.com

;  DiG 9.10.6  +tcp www.baidu.com
 global options: +cmd
 Got answer:
 -HEADER- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 28411
 flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 3, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1

 OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4000
 QUESTION SECTION:
;www.baidu.com.   IN A

 ANSWER SECTION:
www.baidu.com.  600 IN CNAME www.a.shifen.com.
www.a.shifen.com. 600 IN A 180.101.49.11
www.a.shifen.com. 600 IN A 180.101.49.12

此时再次抓包。

听说 DNS 根服务器只有 13 台,到底科不科学

传输层使用了 TCP 协议

可以发现,在传输层,DNS 使用了 TCP 协议。

那么问题就来了。

为什么有 UDP 了还要用到 TCP?

我们知道网络传输就像是在某个管道里传输数据包,这个管道有一定的粗细,叫 MTU。超过 MTU 则会在发送端的网络层进行切分,然后在接收端的网络层进行重组。而重组是需要有个缓冲区的,这个缓冲区的大小有个最小值,是 576Byte。

IP 层分片后传输会加大丢包的概率,且 IP 层本身并不具备重传的功能,因此需要尽量避免 IP 层分片

如果传输过程中真的发生了分片,需要尽量确保能在接收端顺利重组,于是在最保险的情况下,将 MTU 设置为 576。(有些过于谨慎,现在大部分场景下 MTU=1500)。

基于这样的前提,这个 MTU 长度刨去 IP 头和 UDP 头,大约剩下 512Byte。

所以才有了 RFC1035 中提到的,在 UDP 场景下,DNS 报文长度不应该超过 512Byte。

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超过则会被截断。那数据包就不完整了,可能会导致下游没法正常解析数据。

但不可避免的是,总会有需要传大量数据的场景。

怎么办呢?那就改用 TCP 吧。

因为 TCP 本身会分段,分段后的长度正好小于等于 MTU 的长度。并且丢包后还会重传,因此可以确保数据正常传输。

所以说数据包长度大于 512 时,DNS 就需要使用 TCP 协议进行传输。

那既然 TCP 那么好,为什么不全用 TCP?

我们可以对比上面 UDP 和 TCP 的那两张图,会发现,除了 DNS 的请求和响应两个数据包,TCP 场景下还多了三次握手和四次挥手这几个包。

咋一看好像也不算特别多。

我们再回去看下,通过 DNS 协议去查询域名对应的 IP 的过程。

将查询过程细分的话,是可以分为迭代查询递归查询的。

迭代查询和递归查询是什么

迭代查询是指,发出 DNS 后,对方如果不知道这个域名的 IP 是什么,会告诉我有可能知道这件事的机器的 IP,我自己再去问有可能知道的机器,不断重复直到问到结果。

递归查询是指,发出 DNS 请求后,要求对方查好后直接给出最终结果。

看起来递归查询好像很方便,但其实是将查询的过程转嫁给了其他 DNS 服务器。所以很多时候,这两者是同时存在的。

举个例子。

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迭代查询和递归查询

比如还是查询 www.baidu.com 对应的 IP。

那本机在发出 DNS 请求时,会要求最近的 DNS 服务器将结果查好了再给回本机(step1),所以这时候是要求的递归查询

本机是轻松了,然而最近的 DNS 服务器(有可能是你的家用路由器)却需要忙活起来了,它需要采用迭代查询的方式,最坏的情况下,它需要:

step2: 查询根域名服务器

step3: 拿到根域名服务器返回的一级域名(com)服务器 IP,

step4: 再去查询一级域(com)服务器

step5: 得到二级域(baidu)服务器的 IP

step6: 查询二级域(baidu)服务器

step7: 得到三级域(www)服务器的 IP

step8: 查询三级域(www)服务器

step9: 得到 www.baidu.com 服务器的 IP

此时 DNS 服务器在将结果放入缓存后,会将结果给回本机(step10)。

可以看到,迭代查询和递归查询在这个场景中其实是同时存在的。

迭代查询和递归查询的报文特征

这在 DNS 的报头里也有体现。

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DNS 报文

我们需要关注的是 Flags 字段中的 RD 和 RA 字段。

RD(Resursion Desired)是指客户端期望的查询方式。

・ 0:表示迭代查询

・1:表示递归查询

RA(Recursion Available)是指服务端实际采用的查询方式,它只会在响应包里出现。

・ 0:表示迭代查询

・1:表示递归查询

迭代查询和递归查询带来的影响

回到为什么 DNS 不全部改用 TCP 的问题上。

我们可以看到,DNS 请求中,涉及到的服务器其实非常多。

如果都用 TCP 的话,那就都需要三次握手建立连接,四次挥手断开连接。

对于递归查询的那一方,其实还好,因为只会建立一次连接,发出一次请求接收一次响应就完事了。

但对于迭代查询的一方,就需要与众多服务器重复建立和断开连接性能会有很大影响

这时候估计大家也会想问。

那是不是不断开 TCP 连接,下次复用就好了?

不太好。

因为大部分 URL 所涉及到的域名服务器都不太相同,比如 www.baidu.com 和 www.xiaobaidebug.top 涉及到的一、二、三级域名服务器就不一样,因此也没必要维护 TCP 长链接做复用。

所以相比之下,在数据量较小的场景下,使用 UDP 就可以省下握手挥手的消耗,因此 UDP 才是更优解。

DNS 的 IPV4 根域只有 13 个吗?

确实是的。

问题又来了。

为什么是 13 个 IP,不能再加吗?

这个,单纯是历史原因了。上面提到基于 UDP 的 DNS 报文不应该超过 512Byte,刨去 DNS 本身的报头信息,算下来大概能放 13 个 IP(IPV4)。

具体的计算过程不太重要,我就省略了,对计算过程感兴趣的话,可以看下这篇文章最下面的参考文献。

虽然现在大部分机器 MTU=1500 了,但由于还可能存在 MTU=576 的机器,需要向前兼容,因此也不建议随意调整。

但问题叒来了。

退一万步,就算所有机器的 MTU 都到 1500 了,是不是就没这个限制了?

嗯,从这个角度来说,确实可以加,但没必要。

我们需要思考下为什么要加?

是因为觉得 13 个 IP 对应 13 台服务器,压力太大了吗?

还是说出于其他不可明说的因素考虑?

比如,很久以前看电视的时候,有位砖家提到 "全球 DNS 根服务器只有 13 台,其中 x 台部署在漂亮国,只要它们切断访问,那我们的网络就会受影响 balabala"。

但其实,13 个 IP 不代表只有 13 台服务器。准确点来说,应该说是 13 组服务器,每个组都可以无限扩展服务器的个数,多个服务器共用同一个 IP

这里面其实涉及到一个叫任播的技术。

任播是什么

我们知道,在传输的过程中,一台机器发消息给另一台机器,这叫单播(unicast)

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单播

一台机器,发消息给本地网段的所有机器,那叫广播(broadcast)

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广播

这两个都很常见,应该都没问题。

一台机器,发消息给的所有符合条件的目的机器里的其中一台,那叫任播(anycast)

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任播

我们知道,全世界的网络设备,放在一起就形成了一个网状结构,这也是网络这个名称的由来。

我们假设有这么一个路由器,它想要访问某个 IP 的机器。从路由器到目的机器有非常多条路径,路由器可以通过跳数等信息来计算每条路径的成本,得到最优的路径。将最优路径汇成一张表,也就是我们常说的路由表

比如下面的图里,绿色的线和红色的线都能到达同样的目的地,但显然,绿色的路径更短,所以路由表记录了成本更低的绿色路线。

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路由表记录更短的路径

那么现在假设我们将这个网状结构里的两个点的网络 IP 设为一样,路由器其实不知道这是两个不同的机器,对它来说,这只是两条不同的路径,但都是通向同一个 IP。

听说 DNS 根服务器只有 13 台,到底科不科学

不同路径抵达同一个 IP 地址

这两条路径都能到同一个 IP,因此打到任意一个服务都能拿到想要的信息,从而实现了任播

现在我们再加个条件,路由器和其中一台机器都在国内,另一台机器在国外。对路由器来说,由于国内的机器离得近,传输成本低,而国外的机器远,传输成本高,所以路由器生成的最优路线是打到国内的机器。

基于这样的思路,我们只要镜像一份国外的 DNS 域名服务器信息到国内机房里。我们就不再需要请求国外服务器了。

所以,就算其他国家的根域名服务器挂了,也不会对我们有什么影响,事实上国内已经有非常多的镜像服务器了,稳得很。

那稍微扩展一下,假设在上海和广东都设置了相同 IP 的镜像服务,那对于上海的用户来说,他们的路由器会优先将请求打到上海的镜像服务。而广东的用户则会优先打到广东的机器里,从而实现了就近访问

上海的镜像服务挂了,那对应的上海用户路由器里的路由表,就会将路径更新为广东的镜像机器。上海用户的请求就会打到广东的镜像服务中。从而实现高可用(或者说灾备)。

看起来,利用任播既能做到负载均衡,还能实现高可用,这跟 nginx 很像啊。

那么,问题就来了。

既然有任播技术,那为什么还要用 nginx?

nginx 作为常见的反向代理服务器,背后可以连 N 个服务端。当客户端想要请求后端时,客户端根本不需要知道是哪个服务器在为它提供服务,只管拿 nginx 最后返回的结果就行了。像这种,屏蔽掉具体有哪些服务器的代理方式就是所谓的反向代理

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反向代理

正因为不知道背后有哪些服务器,因此可以做到无限扩展,挂了一台其他也能顶上,因此实现了负载均衡和高可用

之前写过一篇文章《为什么有 HTTP 协议,还要有 websocket 协议?》,提到过对于网络游戏场景,需要有服务器主动推数据到客户端。由于 nginx 与客户端和服务端之间会建立 TCP 长链接,因此客户端在收到服务端的消息之后,能沿着这条连接响应服务端

如果这时候不用 nginx,单纯使用任播,那服务器将消息主动推给客户端之后,客户端响应时,消息不保证还能给回原来的服务器毕竟“任播”的含义就是,只要能访问任意一台服务器就行了。

因此任播并不能代替 nginx。

当然这两个本来也不是一个维度的东西,拿来比较其实并不合适,我只是举了个反例来帮助大家捋一捋两者之间的差异。

总结

・DNS 在传输层既能使用 UDP 也能使用 TCP 协议。当传输数据量小于 512Byte 时会使用 UDP,否则使用 TCP。

・ 虽然根域只有 13 个 IP,但不代表只有 13 台服务器,准确的说,应该是十三组服务器,每组服务器都共用同一个 IP,国内已经有非常多的镜像服务器,利用任播技术,只要能就近访问到其中一台就行了。

・ 国内国外如果都有相同 IP 的目的机器,那对于路由器来说,无非就是有两条路径可以抵达相同的目的地,一个远一些,一个近一些。基于成本,会将更近的路径放到路由表中。

・ 任播技术虽然也能在一定程度上实现负载均衡和高可用,但它跟 nginx 并不是一个维度的东西,不能替代 nginx。

参考资料

  • 《Why 13 DNS root servers?》

  • https://miek.nl/2013/november/10/why-13-dns-root-servers/

本文来自微信公众号:小白 debug (ID:xiaobaidebug),作者:小白

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