DNS协议详解

By | 2019年8月5日

这篇文章是用Golang实现一个DNS服务器系列第二部分的中篇。

这一篇文章将会详细的分析RFC1035文档中规定的DNS报文的格式。对于DNS的扩展(EDNS0)和DNS安全扩展(DNSSEC),将在本系列第二部分的下篇中进行分析。

DNS的请求和响应的基本单位是DNS报文(Messgae)。请求和响应的DNS报文结构是完全相同的,每个报文都由以下五段(Section)构成:

+---------------------+
|        Header       | 报文头,固定12字节
+---------------------+
|       Question      | 查询的Question
+---------------------+
|        Answer       | Question部分对应的应答记录
+---------------------+
|      Authority      | 权威服务器资源记录
+---------------------+
|      Additional     | 附加信息资源记录
+---------------------+

DNS报文使用网络序,即大端序。当使用X86,arm等小端序(Little-Endian)的CPU解析和生成报文时,应当注意字节序转换的问题。

DNS标准中使用Octets(8位字节)而不是Byte作为单位,这是因为并不是所有的计算机都将一字节设计成8位(特别是在当年)。但现如今几乎所有的计算机都使用8bit=1Byte这个设计,日常生活中一字节8位也基本成为了约定俗成的标准,因此本文使用字节这一单位以符合用语习惯。


Header部分

DNS Header是每个DNS报文都必须拥有的一部分,它的长度固定为12个字节,它拥有如下的结构:

  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  A  B  C  D  E  F
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|                      ID                       |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|QR|   Opcode  |AA|TC|RD|RA|   Z    |   RCODE   |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|                    QDCOUNT                    |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|                    ANCOUNT                    |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|                    NSCOUNT                    |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
|                    ARCOUNT                    |
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

ID

ID是一个16bit长标识符,可以理解为一个2字节的无符号数。该字段由发起查询请求的客户端生成。服务端在生成响应报文时会原样复制这个值,这意味着相同ID的请求和响应报文是一对请求。因此客户端可以根据这个字段得知某个响应报文对应的是哪次查询请求。

QR

QR是1bit flag位,值为0表示这是一次查询,1则表示该报文是响应报文。

Opcode

4bit长的查询类型字段,这个值由查询发起者设置,在响应时原样复制,我们主要使用Query查询,其它几种基本见不到。

0 Query(最常用的查询) [RFC1035]
1 IQuery (反向查询,现在已经不再使用了) [RFC3425]
2 Status [RFC1035]
3 未指定
4 Notify [RFC1996]
5 Update [RFC2136]
6 DNS Stateful Operations (DSO) [RFC8490]
7-15 未指定

AA(Authoritative Answer)权威应答标志位

1bit权威应答标记,当响应报文由权威服务器发出时,该位置1,否则为0。

TC(TrunCation)截断标志位

当使用UDP传输时,若响应数据超过DNS标准限制(超过512B),数据包便会发生截断,超出部分被丢弃,此时该flag位被置1。

当客户端发现TC位被置1的响应数据包时应该选择使用TCP重新发送查询。因为TCP DNS报文不受512字节限制。

RD(Recursion Desired)递归查询期望标志位

客户端希望服务器对此次查询进行递归查询时将该位置1,否则置0。响应时RD位会复制到响应报文内。

RA(Recursion Available)递归查询可用标志位

服务器根据自己是否支持递归查询对该位进行设置。1为支持递归查询,0为不支持递归查询。

Z 保留段

这三个bit未在RFC1035中指定用途,保留到以后升级时使用。

RCODE(Response Code)响应码

这个字段在响应时进行设置:

RCODE Reference
0 没有错误。 [RFC1035]
1 Format error:格式错误,服务器不能理解请求的报文格式。 [RFC1035]
2 Server failure:服务器失败,因为服务器的原因导致没办法处理这个请求。 [RFC1035]
3 Name Error:名字错误,该值只对权威应答有意义,它表示请求的域名不存在。 [RFC1035]
4 Not Implemented:未实现,域名服务器不支持该查询类型。 [RFC1035]
5 Refused:拒绝服务,服务器由于设置的策略拒绝给出应答。比如,服务器不希望对个请求者给出应答时可以使用此响应码。 [RFC1035]

RFC1035中,6-15的RCODE未被指派。在后期IETF新指定了许多RCODE,同时在EDNS0内,该字段被扩展至了12bit,这意味着响应码的数量由16升至了4096。详细完整的值与含义可以访问这里查看

QDCOUNT,ANCOUNT,NSCOUNT,ARCOUNT

这四个字段都是一个16bit无符号整数,分别表示后面四个数据段内条目的个数。


Question段

question部分存放的是向服务器查询的域名数据。它由QDCOUNT个“条目”(Entry)组成。一般情况下它只有一条Entry。

每个Entry的格式是相同的,如下所示:

      0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  A  B  C  D  E  F
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                                               |
    /                     QNAME                     /
    /                                               /
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                     QTYPE                     |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                     QCLASS                    |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

QNAME

由labels序列构成的域名。QNAME的格式使用DNS标准名称表示法。这个字段是变长的,因此有可能出现奇数个字节,但不进行补齐。

QTYPE

域名的资源类型,长度是两个字节。我们在设置域名的解析时的A记录,TXT记录就是这里使用的类型。该字段的取值包含所有后文提到的资源记录TYPE字段取值,同时还有几个额外的值用于表示取回多个类型的TYPE。

常用的TYPE和其对应的含义在本文的RR Type处介绍。完整的列表可以访问https://www.iana.org/获取。

QCLASS

两字节长的请求的类型,互联网请求时值为“IN”,对应值为0x0001,这年头应该也见不到其他的CLASS类型。具体的CLASS类型可以访问https://www.iana.org获取

DNS标准名称表示法

不论是Question内还是后面的其他三个段内,DNS使用一种标准格式对域名进行编码。它由一系列的label(和域名中用.分割的label不同)构成。每个lebel首字节的高两位用于表示label的类型。这意味着一共可直接分配四种label类型。RFC1035中分配了四个里面的两个,分别是:00表示的普通label,11表示的压缩label。

普通label(0b00xxxxxx)

当label首字节的高两位为0时,表示这是一个普通label。此时使用该字节剩下的6bit(也就是xxxxxx部分)表示该label后续的长度。

后面的部分和域名的那个label完全相同。例如www.example.com中第一个label www 使用普通label编码时会得到二进制序列:[0x03]['w']['w']['w']

由于所有域名最后都会有一个长度为0的根域名,因此该编码下便会有个值为0x00的label来标识域名末尾。

www.example.com的完整编码是“[3]www[7]example[3]com[0]“,画个图的话就是:

由于标识长度的部分只有6bit,因此它的取值范围就成了0x00-0x3f(0-63),换句话说,域名的一个label最长为63个字节。

压缩label(0b11xxxxxx)

由于一个DNS报文内往往拥有多个域名,大多数情况下这些域名有一部分是完全相同的。比如13个根域名服务器地址的唯一的区别是三级域名由a编号至m,后面的15个字节的label完全相同(.root-servers.net)。如果所有域名都按照上述方法原样表示,那么会因为冗余数据浪费许多空间。为此,标准规定了一种针对域名的压缩表示法,即使用一个压缩指针来对域名数据进行复用。生成报文时压缩并不是强制规定必须实现的。

label首字节的高两位为11时表示这个label是压缩表示的,即为一个压缩指针。换句话说,当你发现某个label首字节的值大于等于0xc0(十进制的192)时,说明这是一个指针。

压缩指针长两字节,指针的值是第一个字节的低六位和第二个字节,一共14位。

    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    | 1  1|                OFFSET                   |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

OFFSET便是指针,这个OFFSET表示label的真实数据位于整个数据包的offset处。和数组下标类似,数据包的第一个字节offset为0。

这么说可能还是云里雾里,来个例子就明白了,下面是一个真实DNS数据包看起来的样子:

DNS压缩指针

假设某个报文依次在数据包的0x0C,0x2E和0x4C处依次出现了三条域名:example.comwww.example.comwww.example.com。由于后两条域名的example.com部分与第一条相同,因此可以使用压缩指针进行压缩。

对于第二条域名,第一个label www并未在以前域名中出现,因此第一个label需要直接给出,从第二个label起,example.com已经在数据包0x0C处有了一份,因此构造指针0xC00C(0b11000000 00001100),最高两bit表示这是一个指针,后14bit指定了接下来的label位于整个报文的偏移量(第一个字节偏移量是0),也就是0C。

第三条域名同理,不过相同的部分变成了整个域名,因此直接提供指针即可。压缩是可以嵌套的,比如这里压缩指针0xC02E指向的是第二条域名,而第二条域名本身也使用了压缩。

压缩指针的含义是,当前域名的label序列从此label开始,与指针指向的label序列是相同的。很显然压缩结果不是唯一的,比如第三条域名也可以压缩成[0x03]www[0xc0][0x0c]。使用压缩指针之后,就不用在指针最后加一个0x00表示名称结束了,因为顺着指针找下去总能找到表示末尾的0。

一个名称内最多使用一个压缩指针,换句话说,一个名称只有一下三种形式:

  1. 一堆label序列,而且末尾使用一字节0x00标识结束
  2. 一个压缩指针
  3. 一堆label序列,最后跟一个压缩指针

邮件名

有时候需要在一个字段内表示一个电子邮件地址,我们知道邮件地址的格式是<name>@<domain-name>,为了能方便复用,DNS内将@字符替换为一个”.”,如此便能沿用上面域名的表示方法。例如admin@example.com使用名称表示法后结果等同于admin.example.com


Answer,Authority,Additional段

AnswerAuthorityAdditional三个段的格式是完全相同的,都是由零至多条Resource Record(资源记录)构成。这些资源记录因为不同的用途而被分开存放。

Answer对应查询请求中的Question,Question中的请求查询结果会在Answer中给出,如果一个响应报文的Answer为空,说明这次查询没有直接获得结果。

Authority包含的是权威服务器信息,如果某次查询结果里Answer部分为空,那么你可能需要根据Authority内的内容继续发起查询请求。

Additional这个名字看起来就很附加,前面三个段放不了的信息往里头无脑塞就完事儿了。这个段会在EDNS中被使用,也可以在这里包含Authority中域名服务器的具体IP地址,这样便可以减少一次查询域名服务器地址的请求。

RR(Resource Record)资源记录

资源记录是DNS系统中非常重要的一部分,它拥有一个变长的结构,具体格式如下:

      0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  A  B  C  D  E  F
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                                               |
    /                                               /
    /                      NAME                     /
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                      TYPE                     |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                     CLASS                     |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                      TTL                      |
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                    RDLENGTH                   |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--|
    /                     RDATA                     /
    /                                               /
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

NAME

它指定该条记录对应的是哪个域名,格式使用DNS标准名称表示法

TYPE

资源记录的类型,在本文的RR Type部分进行具体介绍。

CLASS

对应Question的QCLASS,指定请求的类型,常用值为IN,值为0x001

TTL(Time To Live)资源的有效期

表示你可以将该条RR缓存TLL秒,TTL为0表示该RR不能被缓存。TTL是一个4字节有符号数,但是只使用它大于等于0的部分。

RDLENGTH

一个两字节非负整数,用于指定RDATA部分的长度(字节数)。

RDATA

部分是一个长度和结构都可变的字段,它的具体结构取决于TYPE字段指定的资源类型。详细格式位于RR Type 资源类型。

RR Type 资源类型

为了使DNS协议能够应用于更多的场景,DNS协议设计了许多种不同的资源类型来满足不同场景的需求。Type字段在DNS报文中长度为2字节,这意味着最多可以有65536种不同的资源。

FRC1035内指定了编号为1-16的16种资源类型,而当前则一共定义了近100种资源类型,这其中常用的类型并不是很多,大约只有以下十几种。完整的资源类型可以访问此网站获取。

类型 含义 Reference
A 1 主机地址 [RFC1035]
NS 2 域名服务器记录 [RFC1035]
CNAME 5 域名别名 [RFC1035]
SOA 6 权威记录起始 [RFC1035]
PTR 12 域名指针,用于IP解析域名 [RFC1035]
MX 15 邮件交换 [RFC1035]
TXT 16 文本记录 [RFC1035]
AAAA 28 IPV6主机地址 [RFC3596]
SRV 33 服务位置资源记录 [RFC2782]
DS 43 委托签发者,用于DNSSEC [RFC4034][RFC3658]
RRSIG 46 用于DNSSEC [RFC4034][RFC3755]
NSEC 47 用于DNSSEC [RFC4034][RFC3755]
DNSKEY 48 用于DNSSEC [RFC4034][RFC3755]

A记录

A就是Address的首字母,它用于解析一个域名对应的IPv4地址,这是生活中最常使用的记录,没有之一。

它长度固定为4字节,直接以二进制形式表示一个IPv4地址。例如IP 1.2.4.8会被表示为:


[0x01][0x02][0x04][0x08]

NS

域名服务器记录,用来指定该域名由哪个DNS服务器来进行解析。它的结果是一条新的域名,不过是权威服务器的。

NS的格式和RR里NAME字段的格式相同,它使用DNS标准名称表示法返回一条新域名。

CNAME

CNAME是域名别名记录,它用于将多个域名指向同一个主机。它的解析结果通常是另一个域名。CNAME记录经常在设置CDN时被使用。例如example.com使用了cdn.example.net公司的CDN服务(假设IP=1.1.1.1)。你当然可以直接将example.com直接使用A记录解析到1.1.1.1,但是由于CDN不是由你直接管理的,这个ip地址可能会发生变化。如果该公司提供了一个域名cdn.example.net,并且对该域名设置了解析,你就只需要将你的域名example.com通过CNAME解析到cdn.example.net,告诉解析者,example.com是cdn.example.net的别名,IP从他那儿获取即可。

CNAME的格式和上面NS记录格式相同,它使用DNS标准名称表示法返回一条新域名。

SOA

SOA基本上是最复杂的资源记录类型了,没有之一,它的格式如下:

    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    /                     MNAME                     /
    /                                               /
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    /                     RNAME                     /
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                    SERIAL                     |
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                    REFRESH                    |
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                     RETRY                     |
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                    EXPIRE                     |
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                    MINIMUM                    |
    |                                               |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

SOA即Start Of Zone,“区域开始记录”,这个记录主要用于权威DNS服务器进行主从同步。

  • MNAME 该区域的主名称服务器
  • RNAME 负责此区域的管理员的电子邮件地址。
  • SERIAL 区域序列号,32bit无符号整型,从服务器发现这个值更新的时候会启动一次同步。
  • REFRESH 从服务器从主服务器上获取SOA记录的周期
  • RETRY 重试时间,当从服务器获取SOA失败时会在该字段指定的时间内重新尝试获取,这个值应当小于REFRESH
  • EXPIRE 过期时间,如果从主服务器一直未响应,则在该时间后不再响应该区域的请求。这个值应该大于REFRESH+RETRY。
  • MINIMUM 该区域内所有记录TTL的下限。

所有的时间单位都是秒,除前两个字段使用DNS标准名称表示法以外,其它字段长度都是32bit。SOA记录的TTL都是0,也就是说这个记录不能被缓存。

PTR

ptr用于将ip地址反向解析出域名。它和.arpa域名联合使用。例如对114.114.114.114做反向解析可以获得结果:


;; ANSWER SECTION:
114.114.114.114.in-addr.arpa. 556 IN PTR public1.114dns.com.

MX

邮件交换记录,用于设置电子邮件发送地址。通常会设置多条不同优先级的MX记录。


    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                  PREFERENCE                   |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    /                   EXCHANGE                    /
    /                                               /
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

  • PREFERENCE 是一个16bit数,它表示该条记录的优先级,值越小优先级越高。
  • EXCHANGE 一个域名,格式为DNS标准名称表示法

TXT

直接就是一段文本,通常会用作域名验证用途。例如TXT记录“abcdefg”格式为:


['a']['b']['c']['d']['e']['f']['g']

AAAA

AAAA一看就和A有关系,它被用于IPv6地址的解析。AAAA是4个A,而一个IPv6地址的二进制长度也正好是IPv4地址的4倍(IPv6 16Byte,IPv4 4Byte)。 它的格式和A记录一模一样,只不过长度扩展了四倍。因此这个记录的RDATA长度是固定的16字节。地址FE80::1的AAAA RDATA部分格式为:


[0xFE][0x80][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x00][0x01]

实际上在早期还有一个叫A6的IPv6地址资源类型,不同点是A6是变长的,但是A6已经被废弃不再使用,IPv6地址全部使用AAAA记录进行解析。

SRV

SRV记录也很少使用,它用来标识某台服务器使用了某个服务。它的格式为:


    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                   PRIORITY                    |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                    WEIGHT                     |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    |                     PORT                      |
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    /                    TARGET                     /
    /                                               /
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

PRIORITY、WEIGHT、和PORT都是16位的无符号整型。TARGET则是一个域名,它使用DNS标准名称表示法,但在该字段上不使用压缩。

DSRRSIGNSECDNSKEY四个类型用于DNSSEC,具体格式和介绍放在下一篇文章内。

报文传输

DNS工作在UDP和TCP上,都使用53端口。

在大多数情况下,DNS请求和响应都使用UDP数据包,此时UDP的payload便直接是DNS的报文。

当使用TCP时,整个DNS报文部分没有任何变化,但是由于TCP是一个流协议,你需要额外指定一个报文长度来进行报文划分。这个长度字段长2字节,在DNS报文之前发送。因此对于报文”Message“,使用TCP时,实际传输的数据是:

[2字节Message报文长度][Message具体内容]

同样的,这个长度字段使用网络序。

由于UDP只提供尽力而为的服务,请求报文和响应报文都可能在链路上丢失。因此为了保证查询的可靠性,使用UDP进行DNS查询时必须设计重传机制。RFC1035建议,超时重传的时间应该尽可能的通过分析统计得出,建议重传时间为2-5秒。

参考资料

https://tools.ietf.org/html/rfc1035

https://tools.ietf.org/html/rfc1034

http://www.tcpipguide.com/free/t_TCPIPDomainNameSystemDNS.htm

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