计算机网络——12DNS

DNS

DNS的必要性

• IP地址标识主机、路由器
• 但IP地址不好记忆，不便于人类用使用（没有意义）
• 人类一般倾向于使用一些有意义的字符串来标识Internet上的设备
• 存在着“字符串”——IP地址的转换的必要性
• 人类用户提供要访问机器的“字符串”名称
• 由DNS负责转换为二进制的网络地址

DNS系统需要解决的问题

• 问题1：如何命名设备
  • 用有意义的字符串：好记，便于人类用使用
  • 解决一个平面命名的重名问题：层次化命名
• 问题2：如何完成名字到IP地址的转换
  • 分布式的数据库维护和响应名字查询
• 问题3：如何维护：增加或者删除一个域，需要在域名系统中做哪些工作

DNS的历史

• APRANET的名字解析解决方案
  • 主机名：没有层次的一个字符串（一个平面）
  • 存在着一个（集中）维护站：维护者一张主机名-IP地址的映射文件：Hosts.txt
  • 每台主机定时从维护站取文件
• APRAnet解决方案的问题
  • 当网络中主机数量很大时
    • 没有层次的主机名称很难分配
    • 文件的管理、发布、查找都很麻烦

DNS总体思路和目标

• DNS的主要思路
  • 分层的、基于域的命名机制
  • 若干分布式的数据库完成名字到IP地址的转换
  • 运行在UDP之上端口号为53的应用服务
  • 核心的Internet功能，但以应用层协议实现
    • 在网络边缘处理复杂性
• DNS主要目的
  • 实现主机名-IP地址的转换
  • 其他目的
    • 主机别名到规范名字的转换
    • 邮件服务器别名到邮件服务器的正规名字的转换
    • 负载均衡

问题1：DNS命名空间

DNS域名结构

• 一个层面命名设备会有很多重名
• DNS采用层次树状结构的命名方法
• Internet根被划为几百个顶级域
  • 通用的：
    • .com; .edu ; .gov ; .int ; .mil ; .net ; .org .firm ; .hsop ; .web ; .arts ; .rec ;
  • 国家的：
    • .cn ; .us ; .nl ; .jp
• 每个（子）域下面可划分为若干子域
• 树叶是主机

DNS名字空间

域名：

• 从本域往上，直到树根
• 中间使用“.”间隔不同的级别
• 域的域名：可以用于表示一个域
• 主机的域名：一个域上的一个主机

域名的管理：

• 一个域管理其下的子域
• 创建一个新的域，必须征得它所属域的同意

域与物理网络无关

• 域遵从组织界限，而不是物理网络
  • 一个域的主机可以不在一个网络
  • 一个网络的主机不一定在一个域
• 域的划分是逻辑的，而不是物理的

问题2：解析问题-名字服务器

一个名字服务器的问题：

• 可靠性问题：单点故障
• 拓展性问题：通信容量
• 维护问题：远距离的集中式数据库

区域：

• 区域的划分由区域管理者自己决定
• 将DNS名字空间划分为互不相交的区域，每个区域都是树的一部分
• 名字服务器：
  • 每个区域都有一个名字服务器，维护着它所管辖区域的权威信息
  • 名字服务器允许被放置在区域之外，以保障可靠性

名字空间换分为若干区域：Zone

权威DNS服务器：组织机构的DNS服务器，提供组织机构服务器（如Web和mail）可访问的主机和IP之间的映射

组织机构可以选择实现自己维护或由某个服务器提供商来维护

TLD服务器

• 顶级域(TLD)服务器：负责顶级域名和所有国家级的顶级域名
  • Network solutions 公司维护com TLD服务器
  • Educause 公司维护edu TLD服务器

区域名字服务器维护资源记录

资源记录

• 作用：维护域名-IP地址（其他）的映射关系
• 位置：Name Server的分布式数据库中

RR格式

• Domain_name：域名
• Ttl: time to live：生存时间，就是某个资源记录插入到表当中，生存时间是多少；根据Ttl是否无穷大，记录划分为权威记录和缓冲记录
• Class类别：对于Internet，值为IN
• Value：可以是数字，域名或ASCII串
• Type类别：资源记录的类型

DNS记录

DNS保存资源记录（RR）的分布式数据库

RR 格式：(domain_name, ttl, type,class,Value)

Type类型	Name的含义	Value的含义	举例
A	主机	ip地址
CNAME	别名	规范名字	www.ibm.com的规范名字为servereast.backup2.ibm.com
NS	域名(如foo.com)	该域名的权威服务器的名字	NAME仅仅具体到了域名，还没有到主机
MX	邮件	name对应的邮件服务器的名字

TTL：生存时间，决定了资源记录应当从缓存中删除的时间

例子：

DNS

DNS大致工作过程

• 应用调用解析器
• 解析器作为客户向Name Server发出查询报文（封装在UDP段中）
• Name Server返回响应报文

本地名字服务器

• 并不严格属于层次机构
• 每个ISP（居民的ISP、公司、大学）都有一个本地DNS服务器
  • 也称为“默认名字服务器”
• 当一个主机发起一个DNS查询时，查询被送到其本地DNS服务器
  • 起着代理的作用，将查询结果转发到层次结构中

名字服务器

名字解析过程

• 目标名字在Local Name Server中
  • 情况1：查询的名字在该区域内部
  • 情况2：缓存

当本地名字服务器不能解析名字时，联系根名字服务器顺着根-TLD一直找到权威名字服务器

递归查询

递归查询

• 名字解析负担都放在当前联络的名字服务器上
• 问题：根服务器的负担太重
• 解决：迭代查询

迭代查询

• 主机cis.poly.edu 想知道主机 gaia.cs.umass.edu 的IP地址
• 根（及各级域名）服务器返回的不是查询结果，而 是下一个NS的地址
• 最后由权威名字服务器给出解析结果
• 当前联络的服务器给出可以联系的服务器的名字
• “我不知道这个名字，但可以向这个服务器请求”

DNS协议、报文

DNS协议：查询和响应报文的报文格式相同

提高性能：缓存

• 一旦名字服务器学到了一个映射，就将该映射缓存起来
• 根服务器通常都在本地服务器中缓存着
  • 使得根服务器不用经常被访问
• 目的：提高效率
• 可能存在的问题：如果情况变化，缓存结果和权威资源记录不一致
• 解决方案：TTL（默认两天）

问题3：维护问题：新增一个域

• 在上级域的名字服务器中增加两条记录，指向这个新增的子域的域名和域名服务器的地址
  （Type = NS、 Type = A 相当于指针）
• 在新增子域的名字服务器上运行名字服务器，负责本域的名字解析:名字->IP地址
  • 例子:在com域中建立一个“Network Utopia”
• 到注册登记机构注册域名networkutopia.com
  • 需要向该机构提供权威DNS服务器（基本的、和辅助的）的名字和IP地址
  • 登记机构在com TLD服务器中插入两条RR记录:
    • (networkutopia.com,dns1.networkutopia.com,NS )
    • (dns1.networkutopia.com,212.212.212.1,A)
• 在networkutopia.com的权威服务器中确保有
  • 用于Web服务器的www.networkuptopia.com的类型为A的记录
  • 用于邮件服务器mail.networkutopia.com的类型为MX的记录

这里以添加为例，删改查是一样的

攻击DNS

DDoS 攻击

• 对根服务器进行流量轰炸攻击：发送大量ping
  • 没有成功
  • 原因１：根目录服务器配置 了流量过滤器，防火墙
  • 原因２：Local DNS 服务器 缓存了TLD服务器的IP地址, 因此无需查询根服务器
• 向TLD服务器流量轰炸攻击 ：发送大量查询
  • 可能更危险
  • 效果一般，大部分DNS缓存了TLD

重定向攻击

• 中间人攻击
  • 截获查询，伪造回答，从而攻击某个（DNS回答指定的IP）站点
• DNS中毒
  • 发送伪造的应答给DNS服务器，希望它能够缓存这个虚假的结果
• 技术上较困难：分布式截获和伪造

利用DNS基础设施进行DDoS

• 伪造某个IP进行查询， 攻击这个目标IP
• 查询放大，响应报文比查询报文大
• 效果有限