协议案例
DNS查询原理与入方向负载均衡的实现
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摘要 调试工具 RR 协议报文 DNS查询原理
如何配置DNS
入方向负载均衡的实现 参考资料
1. 摘要
本文介绍了DNS的工作原理，包括报文格式，各种记录的区别，查询原理，
Windows上的DNS调试工具，DNS服务器的部分常用配置，以及负载均衡设备在进行入方向负载均衡时的工作原理。
2. 调试工具
通常网络访问正常，DNS出现故障时，会出现很多奇怪的现象，比如QQ可以正
常登陆，却不能访问网页。绝大部分软件在访问Internet时，需要通过DNS将域名解析为IP地址，再进行IP寻址，所以很多软件在DNS不正常时是不能工作的，但是有些软件可以，比如QQ，这种软件不使用域名，而是直接使用IP通信。
通常在DNS出现故障时候，我们会使用ping “域名”来调试，比如要解析域名
www.h3c.com,可以直接ping www.h3c.com来尝试解析这个域名：
如果出现了www.h3c.com的IP，则说明主机可以解析到这个域名，但是并不代表
DNS工作正常。主机在ping www.h3c.com的时候，它首先会查自己的hosts文件，Windows
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主机这个文件位于c:\\windows\\system32\\drivers\\etc\\hosts, *unix主机位于/etc/hosts；如果hosts文件中没有相关记录，主机会查询自己的DNS Cache，如果Cache中有，则直接从缓存中提取IP，如果缓存中没有，才会向DNS发起查询；通常为了验证DNS是否工作正常，需要先查看host文件，并清除DNS Cache（命令：ipconfig /flushdns）。
nslookup是一个最常见的DNS调试工具，在处理上与ping不同，nslookup不会去
查hosts文件和DNS Cache，它会直接向DNS服务器发送请求，并且可以使用命令更改DNS服务器，而不需要修改TCP/IP配置。
但是使用nslookup在你配置的DNS服务器上解析到IP，也不代表DNS工作正常，
因为DNS服务器也会在自己的DNS Cache中查询，如果DNS返回结果为“非权威应答”，则代表这条记录为DNS服务器从它的Cache中提取的。图中例子，第一次查询www.3com.com时，由于www.3com.com在服务器上没有Cache，所以查询到的结果上没有“非权威应答”的提示，而第二次查询时，由于服务器上已有Cache，所以会带有“非权威应答”的提示。
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nslookup工具有很多参数可以配置，通常可以配置查询类型和修改domain以完成
不同类型的查询和避免一些处理上的错误。如果PC加入了AD域，nslookup会自动在要查询的域名后增加AD域的域名，这样会造成查询错误，这个时候需要修改domain(或者在域名后面加上”.”)，命令为 set domain=.。下图为查询ipv6.google.com的AAAA记录(RR的一种)。
3. RR
RR是Resource Records的意思，是DNS中记录的各种域名与主机信息，也就是DNS
系统所提供的核心信息，RR包括以下几部分，后面会介绍RR的报文构成： NAME
域名 类型
A
主机地址 别名
主机CPU OS 信息 邮件服务器记录 NAME的授权域名服务器 部分域名空间的指针 起始授权区域 IPV6主机地址
协议族或协议实例
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Type(16bits)
CNAME HINFO MX NS PTR SOA AAAA
Class(16bits)
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IN Internet系统 CH
Chaos 系统
TTL （32bits） RDATA
4. 协议报文
表示RR可以缓存的时间，单位为秒； 资源数据，即服务器提供的资源信息
DNS承载于UDP之上，在特殊情况下也可以使用TCP，端口都是53，当报文大小超过512字节时，DNS报文会进行截取，并将DNS首部的TC置位，这个时候客户端将向服务器发起TCP连接来进行DNS查询。报文包括12字节的首部和可变长的问题、回答、授权、额外信息五部分，其中回答、授权、额外信息都是由RRs组成。
0 15 16 31 标识 问题数 授权资源数 标志 回答资源数 附加资源数 问题（变长） 回答（变长） 授权（变长） 附加信息（变长） 标识 标识字段由客户程序设置,服务器在返回结果携带。客户程序通过它来确定响应与查询是否匹配。 标志
QR Opcode
AA TC RD RA Zero Rcode 1 4 1 1 1 1 3 4 QR： 0表示查询，1表示响应；
Opcode： 0表示标准查询，1表示反向查询，2表示服务器状态查询,3-15保留； AA(Authoritative ):
0表示非授权域名服务器应答，1表示为授权域名服务器应答； TC(Truncated):
如果DNS报文大小超过512字节，则报文会进行截取，这个时候TC需要置位，表示报文被截断；
RD(Recursion desired):
1表示期望递归，0表示不期望递归；这个标志位决定了internet上DNS的查询与响应方式，后面将详细介绍；
RA(Recursion available):
1表示服务器具备递归查询的能力，大多数服务器提供递归查询，但根DNS服务器不提供此服务；
Zero(reserved)：
保留位，必须为0； Rcode(Reply Code):
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0表示没有差错，1格式错误，2服务器失败，3表示域名错误，4无法执行。
问题数（Questions）
后面“问题”域中的问题的数量； 回答资源数（Answer RRs）
后面“回答”域中的RR的数量； 授权资源数
后面“授权”域中的RR的数量； 附加资源数
后面“附件信息”域中的RR的数量； 问题
问题由三部分组成，NAME、Type和class；
0 15 16 31 NAME（可变长域名） Type（类型，A,AAAA,MX等） Class（协议族 IN,CH） NAME可变长的，并且不以32bits填充，为自由长度，报文中的域名并不是使用dot（.）来隔离，而是在每个node的前面用一个字节标明字符串的长度，协议规定长度范围为0-63，而0就是根节点，所以每个域名都是以0结束的。查询名可以有多个，这个数目在前面的首部中由”问题数”决定，每个域名之间用0隔开。
3 w w w 3 h 3 c 3 c o m 0
Type和Class与RR中描述的一致，Class基本上只有IN (1)。 Type A AAAA NS CNAME PTR HINFO MX Code 1 28 2 5 12 13 15
响应资源、授权资源、附件资源
这三部分都是由RR(Resource Records)组成，都是变长，每条RR记录包括域名（可变长），资源数据与类型和类有关，所以也为变长。下图为RR的结构： 0 15 NAME（可变长域名） Type TTL 资源数据长度 资源数据（变长） Class 16 31 下面是一个标准的DNS请求和应答报文:
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5. DNS查询原理
DNS查询分为递归和迭代两种方式。递归查询是指服务器会替代源地址进行查询，类似于代理的工作方式。迭代查询是指服务器回给客户端的信息中，RA不置位，并携带有其他DNS服务器的信息，让客户端再向其他服务器发起查询，由于internet上的根服务器压力巨大，所以根服务器都是不接受递归查询的，因此internet上的查询过程基本上都是迭代的。
递归查询
1、 PC想要访问一个域名，首先会查自己的HOST文件和DNS Cache； 2、 HOST文件和DNS Cache中如果有相应记录，则查询结束，否则继续； 3、 PC会向自己配置的DNS服务器发送查询，RD置位（期待递归）；
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4、 本地DNS服务器会查看本机上是否有相应的DNS区域，无此区域则查询 DNS
Cache；
5、 如果本地DNS中有相应的区域,无论是否有这条记录，DNS都会直接返回结果给
PC（授权应答）。如果没有这个区域，则会查询DNS Cache，如果Cache中有相应的记录则直接返回结果给PC（非授权应答）,查询结束，否则继续；
6、 本地DNS向上级DNS服务器（通常是配置的转发器）发送DNS请求，RD置位
（期待递归）；
7、 上级DNS服务器将重复步骤4、5、6；
8、 当本地DNS服务器收到上级的DNS应答后，将应答报文转发给PC;
这种逐级向上请求的方式就是递归查询，从缓存读取的记录都是非授权的，只有服务器上相应的区域是，回复的应答报文才是授权的。
以下为递归查询的过程报文：
迭代查询 PC发出的DNS请求，RD置位，DNS服务器收到后，如果本地没有相应的区域，并且没有配置转发器，则会向根服务器发送请求，这时请求报文的RD将不置位（服务器默认配置），根服务器在回应报文中并不携带answer，而是携带Authoritative nameservers和Additional records，分别携带有其他域名服务器的NS记录和A记录。如果要查询的域名为www.tianya.cn，根服务器的应答将携带有负责cn.区域的DNS服务器的域名和IP（NS记录和A记录）。
下图为一次典型迭代查询的过程报文：
1、 PC发送查询报文给DNS服务器192.168.207.207；
2、 DNS服务器192.168.207.207进行递归查询，将查询转发给根服务器192.5.5.241； 3、 根服务器192.5.5.241回应响应报文，携带授权DNS（.cn.）服务器的NS记录，指
向DNS服务器203.119.27.1；
4、 DNS服务器192.168.207.207再将查询报文转发给DNS（.cn.）服务器203.119.27.1; 5、 DNS（.cn.）服务器203.119.27.1回应响应报文, 携带授权DNS（tianya.cn.）服务器
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的NS记录，指向DNS服务器221.11.172.10；
6、 DNS服务器192.168.207.207再将查询报文转发给DNS（tianya.cn.）服务器
221.11.172.10;
7、 DNS（tianya.cn.）服务器221.11.172.10发现本机上有相应的区域，查询是否有对应
的A记录，返回给DNS服务器192.168.207.207；
8、 本地DNS服务器192.168.207.207，将DNS（tianya.cn.）服务器221.11.172.10返回
到应答报文转发给PC；
下图为根服务器回应给本地DNS（第17个报文）服务器的内容：
DNS服务器发往根服务器的请求RD缺省未置位，如果将根服务器配置为转发器，则会发送RD置位的报文给根服务器，根服务器不支持递归，回应报文RA不置位，这时服务器会正常的向下一台服务器发送RD未置位的请求。 Windows只能发送RD置位的报文，当服务器的响应报文中RA未置位时，Windows无法像DNS服务器一样进行迭代查询，查询会失败，但是windows可以显示响应报文中的NS和A记录，在调试的时候，也可以手动进行迭代。
6. 如何配置DNS
下图为一次典型的internet上的DNS查询过程，这里以windows server 2003为例，讲解在不同位置上，DNS服务器的配置。
服务器192.168.207.207: 作为本地服务器，不需要进行任何配置，根服务器为内置表项，不需要手动配置； 服务器192.5.5.241： 作为根服务器，需要配置不允许进行递归查询，并配置响应区域的委派：
1、勾选属性中的禁用递归，关闭递归查询功能。
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2、配置根区域”.”
3、配置委派，将cn.委派给服务器。
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服务器203.119.27.1及其后各级服务器： 配置区域委派即可，最后的服务器配置相应的A记录就可以了；
7. 入方向负载均衡的实现
由于Internet上的DNS查询都会由本地DNS服务器进行递归，然后在internet上进
行迭代，所以最终到达域名所有者的DNS服务器时，源地址是客户端所在区域的本地DNS服务器的地址，可以认为本地DNS服务器与PC位置基本一致。负载均衡在这个组网中，通常是替换域名所有者的DNS服务器，在返回应答前，向本地DNS发送探测报文，判断源地址距离哪个ISP线路更近，从而决定返回哪条A记录（通常A记录的IP为相应ISP线路上的NAT Server的IP，但是并没有必然关系）。
1、 PC向本地DNS服务器发送DNS请求 ，RD置位；
2、 本地DNS服务器如果无缓存，则向根服务器发送DNS请求，RD不置位，如果配置为置
位，根服务器会在回应报文中将RA置位，后续本地DNS服务器不再将RD置位；
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3、 根服务器回应本地DNS服务器的请求，回应报文中无Answer，在Authoritative
nameservers中包含指定DNS服务器的NS记录，Additional records包含前面这里NS记录对应的A记录（203.119.27.1）；
4、 本地DNS服务器收到根服务器的应答后，提取其中的Ns记录和A记录，根据A记录中的
地址，将DNS请求发送给203.119.27.1； 5、 与步骤3相同，对应A记录IP为221.11.172.154；
6、 本地DNS服务器收到根服务器的应答后，提取其中的Ns记录和A记录，根据A记录中的
地址，将DNS请求发送给221.11.172.154；
7、 LoadBalance根据配置的ISP线路（这里假设有中国电信和中国联通2条ISP），分别从
2根线路，向本地DNS服务器发送NQA探测报文。根据探测报文的时延,TTL等，按照一定算法来确定从哪条ISP线路距离客户端更近；
注意：这里不是向PC发送探测报文,而是本地DNS服务器的地址，LoadBalance无法知道PC的IP地址。所以在进行负载均衡调试的时候，并不需要将PC接入不同的运营商来测试，只需要在nslookup中，使用命令server来更换DNS服务器的地址来进行测试，注意前面提到的，只有看不到非授权应答，才证明负载均衡工作正常； 8、 将携带A记录的应答报文发送给本地DNS服务器； 9、 本地DNS服务器将携带A记录的应答报文发送给PC； 10、PC上的应用程序根据A记录中的IP进行寻址访问。 8. 参考资料 RFC 1035
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