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DNS采用的传输层协议

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转换为计算机能够理解的IP地址，在DNS的运行过程中，传输层协议起着关键作用，确保了DNS查询和响应数据能够在网络中准确、可靠地传输，本文将详细探讨DNS所采用的传输层协议相关内容。

DNS

（一）DNS的作用

DNS的主要功能是实现域名与IP地址之间的映射,在互联网中，用户通过输入域名来访问各种网络资源，而计算机网络内部则是基于IP地址进行通信，DNS就像一个电话簿，将域名这种“名字”翻译成对应的IP地址“号码”，使得用户无需记住复杂的IP地址就能方便地访问网站、服务器等网络资源。

当用户在浏览器中输入www.example.com时，DNS会将其解析为相应的IP地址，如192.0.2.1，然后浏览器才能与目标服务器建立连接并进行数据传输。

（二）DNS的工作流程

DNS的工作流程大致分为以下几个步骤：

1. 客户端发起查询：当用户在应用程序（如浏览器）中输入一个域名时，该应用程序会向本地DNS服务器发送一个DNS查询请求，这个请求包含了要查询的域名信息。
2. DNS服务器查询处理：本地DNS服务器收到查询请求后，会首先检查自己的缓存中是否有该域名对应的IP地址记录，如果有，则直接返回结果给客户端；如果没有，它会向上级DNS服务器（如根DNS服务器、顶级域DNS服务器等）进行递归查询或迭代查询，直到获取到准确的IP地址信息。
3. 返回查询结果：一旦DNS服务器获取到域名对应的IP地址，它会将这个结果返回给客户端，客户端就可以使用这个IP地址与目标服务器建立连接并进行数据通信。

DNS采用的传输层协议——UDP

（一）UDP协议简介

用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）是一种无连接的传输层协议，它在发送数据时不需要先建立连接，而是直接将数据封装在UDP数据报中发送给目标主机，UDP协议具有简单、高效的特点，适用于那些对实时性要求较高、但对数据可靠性要求相对较低的应用场景。

（二）DNS选择UDP的原因

1. 快速查询响应

   DNS查询通常需要快速得到响应,以满足用户及时访问网络资源的需求，UDP协议由于无需建立连接的开销，能够更快地将DNS查询请求发送出去，并期待快速的响应回来，在用户打开一个网页时，浏览器会尽快发送DNS查询请求，如果使用TCP协议建立连接后再发送查询，会增加等待时间，影响用户体验。

2. 查询数据量小

   大多数DNS查询请求和响应的数据量相对较小,一般情况下，一个DNS查询请求只需要几十字节到一百多字节，响应数据量也大多在这个范围内，UDP协议对于小数据量的传输非常高效，它不需要像TCP协议那样维护复杂的连接状态和进行流量控制等操作，从而减少了传输过程中的额外开销。

3. 简单高效

   UDP协议的实现相对简单,不需要进行连接建立、维护和释放等复杂的操作，这对于DNS服务器来说，可以更高效地处理大量的查询请求，DNS服务器每天要处理数以亿计的查询请求，使用UDP协议可以降低服务器的资源消耗，提高处理效率。

（三）UDP在DNS中的工作机制

1. DNS查询请求封装

   当客户端发起DNS查询时,DNS查询请求会被封装在UDP数据报中，UDP数据报包含源端口号、目的端口号、长度和校验和等字段，以及DNS查询报文本身，源端口号是客户端临时分配的一个端口号，用于标识该查询请求的来源；目的端口号通常是DNS服务器使用的固定端口号（53）；长度字段表示整个UDP数据报的长度；校验和字段用于检验数据报在传输过程中是否出现错误。

2. 数据报传输

   封装好的UDP数据报通过IP网络发送给DNS服务器,在网络传输过程中，UDP数据报可能会经过多个路由器的转发，最终到达目的DNS服务器，由于UDP是无连接的协议，每个数据报都是独立传输的，网络中的路由器不会为UDP数据报保留任何状态信息。

3. DNS响应处理

   DNS服务器收到UDP数据报后,会解析其中的DNS查询请求，并进行相应的查询处理，如果服务器有缓存结果，则直接将结果封装在UDP数据报中返回给客户端；如果没有缓存，则进行递归或迭代查询，并将最终的查询结果以同样的方式封装在UDP数据报中发送回客户端，客户端收到响应后，会从UDP数据报中提取出DNS响应报文，并根据其中的信息进行后续的操作。

DNS采用的传输层协议——TCP

（一）TCP协议简介

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种面向连接的传输层协议，它在发送数据之前需要先建立连接，通过三次握手过程来协商通信参数并建立可靠的连接，在数据传输过程中，TCP会对数据进行分段、编号，并通过确认机制和重传机制来保证数据的可靠传输，接收方会按照序列号对收到的数据段进行重组，确保数据的完整性和准确性。

（二）DNS使用TCP的场景

虽然DNS主要使用UDP协议进行查询和响应,但在某些特定情况下也会使用TCP协议。

1. 区域传输

   当DNS服务器之间需要进行区域传输（Zone Transfer）时，会使用TCP协议，区域传输是指主DNS服务器将整个区域（如一个域的所有域名和IP地址映射记录）的数据库复制给辅助DNS服务器的过程，由于区域传输的数据量较大，而且需要保证数据的完整性和准确性，所以使用TCP协议的可靠传输特性更为合适，在一个大型企业网络中，为了实现冗余备份和负载均衡，辅助DNS服务器需要定期从主DNS服务器获取最新的区域数据，这时就会使用TCP协议进行区域传输。

2. 大量数据传输或复杂查询

   在某些情况下,如果DNS查询请求涉及到大量的数据传输或者复杂的查询操作，例如查询一个非常大的域名空间或者进行递归查询时返回的结果非常多，此时使用TCP协议可以更好地保证数据的可靠传输，因为UDP协议在数据量较大或网络状况不佳时可能会出现数据丢失的情况，而TCP协议的重传机制可以确保数据能够完整地传输到客户端。

（三）TCP在DNS中的工作机制（以区域传输为例）

1. 连接建立

   当辅助DNS服务器需要从主DNS服务器进行区域传输时,它会主动向主DNS服务器的TCP端口（53）发起连接请求，主DNS服务器收到请求后，会进行三次握手操作来建立连接，在三次握手过程中，双方会交换一些必要的信息，如初始序列号、窗口大小等，以确保双方都准备好进行数据传输。

2. 数据传输

   连接建立后,主DNS服务器会将区域数据库中的数据按照一定的格式封装在TCP报文中，依次发送给辅助DNS服务器，辅助DNS服务器收到数据后，会发送确认消息给主DNS服务器，告知已收到的数据序列号，如果主DNS服务器在一定时间内没有收到确认消息，它会重传相应的数据段，直到辅助DNS服务器正确收到所有数据。

3. 连接释放

   当区域传输完成后,辅助DNS服务器会发起连接释放过程，它会给主DNS服务器发送一个连接释放请求，主DNS服务器收到请求后，会进行四次挥手操作来关闭连接，在连接释放过程中，双方会确保所有的数据都已经正确传输并且没有遗漏。

UDP与TCP在DNS中的比较

相关问题与解答

（一）问题一

为什么DNS不全部使用TCP协议而要采用UDP协议为主？

解答： DNS不全部使用TCP协议而主要以UDP协议为主，主要有以下原因，从性能角度来看，UDP协议无连接的特性使得它能够快速地发送和接收DNS查询请求及响应，在大多数情况下，DNS查询和响应的数据量较小，使用UDP可以避免TCP协议中建立连接、维护连接状态等带来的额外开销，从而提高查询效率，更快地满足用户访问网络资源的需求，从实际应用场景来看，大部分日常的DNS查询操作并不要求绝对的可靠性，即使偶尔出现数据丢失的情况，由于DNS查询可以简单地通过再次发起查询来获取结果，所以对用户体验的影响较小，而UDP协议正好能够满足这种对实时性要求高、对可靠性要求相对较低的大规模DNS查询场景，相比之下，TCP协议虽然能保证数据的可靠传输，但它的连接建立和维护机制会导致一定的延迟，不太适合处理大量的、简单的DNS查询请求，只有在一些特殊的、对数据完整性和准确性要求极高的场景下，如区域传输等，才会使用TCP协议。

（二）问题二

在DNS中使用UDP协议时,如果出现数据丢失怎么办？

解答： 当DNS使用UDP协议时出现数据丢失的情况，通常会采取以下几种处理方式，客户端一般会设置一个超时时间，如果在规定的时间内没有收到DNS服务器的响应，客户端会自动重新发起DNS查询请求，这是因为在大多数情况下，数据丢失可能是由于网络中的短暂故障或者拥塞导致的，通过再次发送查询请求，有可能在下次传输时成功获取到响应数据，一些高级的DNS客户端或者应用程序可能会实现一定的重试机制，它们可能会按照一定的策略（如指数退避算法）多次尝试发送查询请求，以增加成功获取响应的概率，从服务器端的角度来看，虽然UDP协议本身不保证可靠传输，但一些DNS服务器可能会对频繁的查询请求进行缓存处理，当客户端再次发起相同的查询请求时，服务器可以直接从缓存中获取结果并返回，这样也可以在一定程度上弥补因数据丢失而导致的查询失败问题，不过需要注意的是，由于UDP协议的不可靠性，在一些对数据准确性和完整性要求极高的场景下（如区域传输），才会转而使用TCP协议来确保数据的可靠