【网络面试（2）】DNS原理-域名和IP地址的查询转换

从上一篇博客我们得知浏览器是如何生成了HTTP消息了，但是浏览器作为应用程序，是不具备向网络中发送请求的能力，而是需要委托给操作系统的内核协议栈来发送请求。在委托协议栈之前，浏览器还要做的一件事情就是将域名转换为IP地址。
在了解这个过程之前，我们先来学习一下IP地址相关概念。

1. IP地址

IP（Internet Protocol）网际互联协议，是TCP/IP协议中的核心部分。通常我们接触比较多的是IP地址，像 192.168.0.1 这种4组数字和3个点分隔符组成的，每组数字的取值范围是0~255，换算成2进制最大表示到2⁸，也就是8个bit，1个字节的长度，所以1个IP地址的长度占用了4个字节。

IP地址的作用可以帮助我们在互联网中定位到某台主机。通常我们访问的网站域名都是很多字符组成，一般占用几十到几百个字节，而1个IP地址只占用4个字节，如果通过域名去定位这台主机，要远大于使用IP地址定位的使用的网络传输成本。

IP地址一般是由2部分组成，子网号+主机号，那子网和主机又分别代表了什么呢？下面这张图就展示了他们的关系，比如几台计算机通过集线器可以组成的一个小的内网，这个内网就是子网，而每一台计算机就是子网中的主机。子网与子网之间可以通过路由器连接起来，实现访问。

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1.1 掩码

既然IP地址是由子网号和主机号组成，那他们是通过什么规则组成的呢？这里就需要接触掩码地址。
掩码地址和IP地址长的是一样的，都是占用4个字节的一组.号分隔的数字。掩码的表示有很多种形式，如下两种：

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掩码理解起来其实比较简单，掩码掩码，遮掩起来的就是子网号，剩下的就是主机号，原理上如下，首先将IP地址和掩码地址转换为2进制表示，然后做拆分转换，如下：

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这样我们就可以拿到子网号和主机号了，路由器可以根据子网号定位到子网，集线器可以定位到具体的主机。
还有一种简单的方式表示掩码，就是上面的（c）表示法，24其实就是二进制表示方法中，从左往右24个数字1。

2. 查询IP地址

接下来，浏览器需要根据域名查询IP地址，这一步要借助DNS服务器，同理浏览器无法直接向DNS服务器发起请求，而是要调用操作系统Socket库中的DNS解析器程序gethostbyname()来完成。

DNS解析器，其实就是DNS客户端，是一段实现在Socket库中的程序代码，他的作用就是接收各种域名转换IP地址的请求，将域名发送给DNS服务器，DNS服务器接收请求解析后，将IP地址返回给DNS解析器，解析器再将IP地址存放到浏览器指定的内存地址处。当然，DNS解析器也是不具备直接向网络发送请求的，同理要借助操作系统的内核协议栈来实现。接下来，浏览器就会从内存中取出IP地址，和生成的HTTP消息，交给操作系统来执行发送网络请求。

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通常，DNS服务器的地址是作为TCP/IP设置的一个配置项提前设置好的，DNS地址有很多，比如有阿里的223.5.5.5，谷歌的8.8.8.8等等。

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3. DNS服务器的工作原理

DNS服务器的主要工作就是将客户端发来的域名转换为IP地址，在DNS服务器中保存着域名与IP地址的映射表，这张表中除了保存域名、IP地址，还有Class（DNS设立之初考虑了除了互联网之外的网络，不过目前只有互联网IN这一种类型）和记录类型（A就是Adress，表示IP地址，MX表示邮件服务器）。

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客户端的入参中，会包含域名、Class类型、记录类型等参数，以此来确定最终的IP地址。
在全世界有很多的WEB服务器，如果只有一台DNS服务器来记录相关的域名和IP地址是不现实的，所以这么多的映射记录肯定是分散保存在不同的WEB服务器上的。下面我们就来看下，如何根据域名找到最终的IP地址。

3.1 DNS服务器缓存

查找的第一步，根据我们配置的DNS地址找到对应的DNS服务器，这台DNS服务器上会缓存之前查找过的域名，当然是有过期时间的。如果有此域名，会直接返回客户端，同时也会告诉客户端这个IP地址来自缓存还是保存此地址的DNS服务器。

3.2 DNS接力查找

我们知道，域名通常是由很多层级来表示的，比如www.lab.glasscom.com这个域名就包含了4层域名，1个是.放在最后，一般隐藏不写表示根域，com表示顶级域名，而glasscom表示一级域名，lab表示二级域名，www就代表了web服务器。一般来说，每层的域名会分布在不同的DNS服务器上，当然也不是那么绝对，但是上一层级的域名会记录下一层级域名的IP地址，然后所有的域名服务器都会记录根域服务器的IP地址。以上面这个域名为例：

根域名： 全世界的根域IP地址有13个，这样就有对应的13组服务器，大部分在美国，据说中国以前有一台，后来因为国内互联网开放程度过低，动不动就封这个网站，那个网站，被撤掉了。回到上面例子，根域服务器会记录 com这个域名的服务器IP地址。
顶级域名： 上面例子中的com是当前互联网中应用最广的域名，这个域名对应的DNS服务器中会记录下一级glasscom的域名服务器地址。
一级域名： 上面例子中的glasscom是一级域名，这个对应的服务器中会记录lab的DNS服务器IP地址。
二级域名： 这是最下一层的域名了，这个DNS服务器中就会记录lab.glasscom.com这个域名与IP的映射记录。

因为所有的域名服务器中都会记录根域服务器的IP地址，所以不管我们电脑上配置的哪个DNS服务器，在DNS缓存无法命中的情况下，会直接将请求发给根域服务器，根域服务器将顶级域com的IP地址返回到我们配置的DNS服务器，它再去寻找com的DNS服务器，同理会返回glasscom域名DNS服务器的地址，依次直到最下层的lab.glasscom.com域名DNS服务器，这台DNS服务就会把www.lab.glasscom.com对应的IP地址返回给客户端，完成对此IP地址的请求。

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经常上面的这些步骤查找，浏览器就可以得到我们输入的URL中域名对应的IP地址，下一步就可以将网络请求委托给操作系统了。