1. 简介
IP 地址是互联网通信的基础，但人类更擅长记忆短小的域名而非复杂的数字串。DNS（Domain Name System，域名系统） 就是为了解决这个问题而诞生的。
DNS 的核心作用是：将域名解析为对应的 IP 地址，比如将 google.com 转换为 142.251.42.174。通过本文，我们将系统性地了解 DNS 的基本原理与工作机制。
2. DNS 基础概念
2.1. 域名解析流程
浏览器访问网站时，首先需要通过 DNS 解析域名获取目标服务器的 IP 地址。整个流程如下：
- 浏览器发起 DNS 查询请求
- DNS 服务器查找并返回对应的 IP 地址
- 浏览器使用该 IP 地址连接服务器
由于互联网上活跃的域名数量庞大，每个设备不可能存储全部域名与 IP 的映射关系。因此，DNS 被设计为一个分布式数据库系统，以支持全球范围的高效查询。
2.2. 分布式系统特性
DNS 是一个典型的分布式系统，具备高可用性、最终一致性和一定的容错能力。
根据 CAP 定理，DNS 在网络分区时优先保障可用性，而不是强一致性。这意味着：
✅ 允许短暂的不一致
❌ 无法保证所有节点数据实时同步
⚠️ 但最终会收敛一致
3. 域名空间结构
为了高效管理全球域名，DNS 使用了一种树状层级结构，称为Domain Namespace（域名空间）。
3.1. 层级结构
整个域名空间是一个倒置的树形结构，每个节点代表一个域名。从上到下依次为：
- 根域（Root Domain）：最顶层，用
.表示 - 顶级域（TLD）：如
.com、.org、.cn等 - 二级域（SLD）：如
google.com、baidu.com - 三级域及子域（Subdomain）：如
mail.google.com、docs.google.com
这种结构使得域名易于组织和管理。
3.2. 完全限定域名（FQDN）
从任意域名节点向上追溯到根域，就构成了该域名的完全限定域名（Fully Qualified Domain Name，FQDN），例如：
docs.google.com.（注意结尾的点表示根域）
FQDN 是 DNS 内部使用的完整路径，具有以下命名限制：
- 只能包含字母、数字和连字符（a-z, A-Z, 0-9, -）
- 不能以连字符开头
- 总长度不超过 255 字符，每段不超过 63 字符
3.3. 区域（Zone）
Zone 是 DNS 管理的基本单位，代表由同一台 DNS 服务器管理的一组域名记录。
例如：
google.com、docs.google.com、sheets.google.com由同一台服务器管理，构成一个 Zonedns.google.com由另一台服务器管理，构成另一个 Zone
Zone 可以是主域，也可以是子域，后者称为从属区域（Subordinate Zone）
4. DNS 客户端-服务器架构
DNS 本质上采用客户端-服务器架构：
- 客户端发起查询请求（DNS Resolver）
- 服务器返回解析结果
但实际流程比图示复杂得多。由于域名数据分布在全球多个服务器上，通常需要多级递归查询才能获取最终答案。
5. 域名服务器（Name Server）
Name Server 是 DNS 的核心组件，负责存储域名与 IP 的映射信息。
5.1. 权威服务器（Authoritative Name Server）
这类服务器由管理员配置，保存某个 Zone 的权威数据，是解析的最终来源。
DNS 服务器按层级排列：
- 根服务器（Root Server）：全球 13 组，管理根域
- TLD 服务器：如
.com、.net的服务器 - 域服务器：如
google.com的服务器
5.2. 缓存服务器（Caching Name Server）
为了提高解析效率，DNS 引入了缓存机制。缓存服务器可以：
✅ 减少对权威服务器的查询压力
❌ 存在缓存过期导致的不一致风险
缓存的有效期由 TTL（Time To Live）控制。TTL 由权威服务器设置，缓存服务器据此决定何时刷新数据。
6. DNS 解析流程
6.1. 递归与非递归查询
DNS 支持两种查询方式：
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| 递归查询 | 客户端要求服务器返回最终答案 |
| 非递归查询 | 服务器可以返回答案或推荐下一个查询的服务器 |
解析流程如下：
- 客户端向本地 DNS 缓存服务器发起递归查询
- 缓存服务器向根服务器发起非递归查询
- 根服务器返回 TLD 服务器地址
- 缓存服务器继续向 TLD 服务器查询
- TLD 返回权威服务器地址
- 缓存服务器最终向权威服务器获取 IP 地址
- 结果返回客户端
6.2. 转发器与递归器
DNS 服务器类型：
- Forwarder（转发器）：将查询请求转发给其他 DNS 服务器
- Recursor（递归器）：自己完成整个解析过程
大多数公共 DNS 服务（如 Google Public DNS 或 Cloudflare 1.1.1.1）都是递归服务器。
7. DNS 资源记录（Resource Records）
DNS 不仅能解析域名到 IP，还支持多种资源记录类型，用于不同用途：
| 类型 | 用途 |
|---|---|
| A | IPv4 地址 |
| AAAA | IPv6 地址 |
| CNAME | 别名记录，指向另一个域名 |
| MX | 邮件服务器地址 |
| NS | 指定该域名的权威 DNS 服务器 |
| SRV | 服务发现记录，包含主机名和端口，常用于微服务架构 |
例如，SRV 记录可用于服务发现：
_service._proto.name. TTL class SRV priority weight port target
8. 总结
通过本文，我们了解了 DNS 的核心概念与工作原理：
- DNS 是一个分布式数据库系统
- 域名空间采用树状结构组织
- 域名解析依赖递归与非递归查询机制
- 权威服务器与缓存服务器协同工作
- DNS 支持多种资源记录类型，适应不同场景
理解 DNS 的工作机制，有助于我们更好地进行网络故障排查、性能优化和系统设计。