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DNS 所采取的传输协议：深度解析与技术细节

DNS

域名系统（Domain Name System，DNS）是互联网中至关重要的基础设施，它负责将人类易于记忆的域名（如 www.example.com）转换为计算机能够理解的 IP 地址（如 192.0.2.1），从而实现网络资源的访问，这一转换过程看似简单，背后却涉及复杂的技术架构和多种协议的协同工作，其中传输协议的选择更是关键因素之一。

DNS 主要采用的传输协议：UDP 与 TCP

（一）UDP：DNS 查询的默认选择

UDP 协议特点

• 无连接性：UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，它不建立连接即可直接发送数据，这极大地降低了通信开销和延迟，非常适合像 DNS 查询这种频繁且对实时性要求较高的操作。
• 简单高效：相较于 TCP，UDP 的头部开销较小，仅有 8 个字节，这使得它在传输少量数据时效率更高，对于大多数 DNS 查询请求，其数据量通常较小，UDP 能够在不影响性能的情况下快速完成数据传输。
• 不保证可靠性：UDP 不提供数据包的确认、重传和顺序保证等可靠性机制，这意味着在网络状况不佳时，数据包可能会丢失、重复或乱序到达，DNS 设计了相应的机制来应对这种情况，例如通过超时重传和缓存技术来提高查询的成功率。

UDP 在 DNS 中的工作流程

• 当客户端发起 DNS 查询时，它会以 UDP 数据报的形式将查询请求发送给 DNS 服务器，该数据报包含了查询的域名信息以及相关的标识符等。
• DNS 服务器接收到 UDP 数据报后，会解析其中的查询请求，并在本地缓存或通过递归查询等方式获取相应的 IP 地址信息，服务器以 UDP 数据报的形式将查询结果返回给客户端。
• 如果在规定的时间内客户端没有收到响应,或者收到的响应不完整，客户端可能会根据配置进行多次重传，以确保查询的成功。

UDP 端口号

• DNS 服务默认使用的 UDP 端口号是 53，客户端在发送 DNS 查询请求时，会将目的端口设置为 53，以便将请求发送到正确的 DNS 服务器端口，同样，DNS 服务器在返回响应时，也会将源端口设置为 53，使客户端能够识别响应的来源。

（二）TCP：用于特定场景的可靠传输

TCP 协议特点

• 面向连接：TCP（Transmission Control Protocol）在数据传输前需要先建立连接，通过三次握手过程，确保通信双方都能够正常收发数据，这种连接一旦建立，就会在整个数据传输过程中保持，直到数据传输完成或连接被异常中断。
• 可靠性高：TCP 提供了可靠的数据传输服务，它通过序列号、确认号、重传机制等手段，确保数据包能够按序、无损地到达接收方，如果某个数据包在传输过程中丢失或损坏，TCP 会自动重传该数据包，直到接收方正确确认收到为止。
• 流量控制与拥塞控制：TCP 具备流量控制和拥塞控制机制，能够根据网络状况动态调整发送数据的速率，避免因发送过快导致网络拥塞或接收方缓冲区溢出，这对于传输大量数据的应用场景非常重要，可以保证网络的稳定性和数据传输的效率。

TCP 在 DNS 中的应用场景

• 区域传送（Zone Transfer）：当 DNS 服务器之间需要进行区域传送时，例如主 DNS 服务器向从 DNS 服务器同步域名区域数据时，由于传输的数据量较大且要求完整性和准确性，通常会使用 TCP 协议，区域传送涉及到整个域名区域的数据库文件传输，这些文件可能包含大量的记录，使用 TCP 可以确保数据在传输过程中不会丢失或损坏，并且能够按照正确的顺序进行传输。
• 大型查询响应：在某些特殊情况下，如查询返回的结果非常大（例如包含大量的资源记录），超过了 UDP 数据报的最大长度（通常为 512 字节），DNS 会切换到 TCP 协议进行数据传输，因为 UDP 无法保证大数据包的完整传输，而 TCP 的可靠性和分段传输机制可以有效地处理这种情况。

TCP 端口号

• 与 UDP 一样，DNS 服务在使用 TCP 协议时，默认端口号也是 53，这使得客户端和服务器在进行 TCP 连接时，能够准确地找到对应的端口进行通信。

DNS 中 UDP 与 TCP 的协同工作

在实际的 DNS 运行环境中，UDP 和 TCP 并不是相互独立的，而是根据不同的查询需求和场景协同工作，以提供高效、可靠的域名解析服务。

（一）查询流程中的协议选择

• 通常情况下,客户端首先会以 UDP 协议向 DNS 服务器发送查询请求，这是因为大多数 DNS 查询的数据量较小，UDP 的快速无连接特性能够满足查询的实时性要求。
• UDP 查询在一定时间内没有得到响应，或者响应的数据不完整（例如返回的 IP 地址列表被截断），客户端会根据配置决定是否切换到 TCP 协议重新发送查询请求，这种切换机制通常是由 DNS 客户端软件内部实现的，对于用户来说是透明的。
• 当涉及到区域传送或大数据量查询响应时,DNS 服务器会主动使用 TCP 协议来确保数据的可靠传输，在主从 DNS 服务器之间的定期区域同步过程中，会建立 TCP 连接进行数据传输。

（二）缓存与重传机制对协议的影响

• 缓存机制：无论是使用 UDP 还是 TCP 进行查询，DNS 服务器和客户端都会对查询结果进行缓存，缓存的目的是减少重复查询的次数，提高域名解析的效率，当客户端发起查询时，如果查询的域名已经在缓存中存在且未过期，服务器会直接从缓存中获取结果并返回给客户端，而无需再次进行实际的查询过程，在这种情况下，无论是 UDP 还是 TCP，都可以快速地返回缓存中的结果，提高响应速度。
• 重传机制：对于 UDP 查询，由于其不可靠性，客户端通常会设置超时时间和重传次数，如果在超时时间内没有收到响应，客户端会重新发送查询请求，这种重传机制在一定程度上增加了查询成功的概率，但也可能会增加网络负载，而对于 TCP 查询，由于其可靠性由协议本身保证，重传机制主要由 TCP 协议栈处理，客户端无需过多关注。

其他相关协议与技术在 DNS 传输中的作用

（一）DNS 消息格式

• DNS 消息无论是通过 UDP 还是 TCP 传输，都遵循特定的消息格式，该格式包括头部、查询部分、回答部分、权威记录部分和附加记录部分，头部包含了标识符、标志位、问题数、资源记录数等信息，用于标识和控制整个 DNS 消息的传输和处理过程，查询部分包含了客户端要查询的域名信息以及查询类型（如 A 记录查询、MX 记录查询等），回答部分则是服务器返回的查询结果，包括对应的 IP 地址或其他资源记录，权威记录和附加记录部分则用于提供更详细的信息，如域名的 TTL（Time to Live，生存时间）、服务器的优先级等。

（二）DNS 压缩与扩展机制

• 压缩机制：为了减少 DNS 消息的大小，提高传输效率，DNS 采用了压缩机制，在 DNS 消息中，如果某个域名在消息的多个部分重复出现，那么在后面的出现中只会存储该域名与之前出现的偏移量，从而节省了空间，这种压缩机制对于减少 UDP 数据报的大小尤为重要，因为 UDP 有数据包大小的限制。
• 扩展机制（EDNS）：随着互联网的发展，传统的 DNS 消息格式在某些方面已经不能满足需求，UDP 数据报的大小限制导致无法传输较大的查询结果或附加信息，为了解决这些问题，DNS 引入了扩展机制（Extension mechanisms for DNS，EDNS），EDNS 允许在不影响现有 DNS 协议兼容性的基础上，扩展 DNS 消息的功能，如支持更大的 UDP 数据报、增加新的资源记录类型等，通过 EDNS，DNS 能够更好地适应不断变化的网络环境和应用场景。

DNS 作为互联网的核心服务之一，其传输协议的选择直接影响着域名解析的性能、可靠性和效率，UDP 协议以其简单、高效、无连接的特性，成为 DNS 查询的默认传输协议，能够满足大多数日常查询的需求，由于 UDP 的不可靠性，在一些特定场景下，如区域传送和大数据量查询响应时，TCP 协议则发挥着重要作用，确保数据的完整、准确传输。

在实际运行中,DNS 通过巧妙地结合 UDP 和 TCP 的优势，并根据不同的查询需求和场景进行智能的协议选择，实现了高效、可靠的域名解析服务，其他相关协议和技术，如 DNS 消息格式、压缩与扩展机制等，也为实现这一目标提供了有力的支持，深入了解 DNS 所采取的传输协议及其相关技术细节，对于网络工程师、系统管理员以及广大互联网用户来说，都具有重要意义，它有助于我们更好地优化网络配置、排查故障以及保障互联网的稳定运行。

问题与解答

问题 1：为什么 DNS 不全部使用 TCP 协议进行查询？ 解答：虽然 TCP 协议具有可靠性高的优点，但 它建立连接的过程相对复杂，会增加通信开销和延迟，对于大多数 DNS 查询的数据量较小，且对实时性要求较高，UDP 协议的无连接特性使其能够快速地将查询请求发送出去，无需等待连接建立的过程，从而大大提高了查询的效率，UDP 的简单性也使得它在处理大量并发查询时具有更好的性能表现，只有在涉及到区域传送或大数据量查询等对可靠性和数据完整性要求极高的场景下，才会使用 TCP 协议。

问题 2：在 DNS 查询过程中，如何判断是否需要切换到 TCP 协议？ 解答：通常情况下，客户端首先使用 UDP 协议发送查询请求，如果在一定时间内（这个时间通常由客户端的配置决定）没有收到 UDP 响应，或者收到的响应不完整（例如返回的 IP 地址列表被截断，可能是由于 UDP 数据报大小限制导致的），客户端会根据配置决定是否切换到 TCP 协议重新发送查询请求，一些高级的 DNS 客户端软件可能会根据网络状况、查询的类型和历史记录等因素综合判断是否需要切换协议，如果查询的类型本身涉及到较大的数据量传输（如区域传送），DNS 服务器端也会主动使用 TCP 协议来确保数据的可靠