在上一讲里，我们学习了HTTP协议使用的TCP/IP协议栈，知道了HTTP协议是运行在TCP/IP上的。

IP协议的职责是“网际互连”，它在MAC层之上，使用IP地址把MAC编号转换成了四位数字，这就对物理网卡的MAC地址做了一层抽象，发展出了许多的“新玩法”。

例如，分为A、B、C、D、E五种类型，公有地址和私有地址，掩码分割子网等。只要每个小网络在IP地址这个概念上达成一致，不管它在MAC层有多大的差异，都可以接入TCP/IP协议栈，最终汇合进整个互联网。

但接入互联网的计算机越来越多，IP地址的缺点也就暴露出来了，最主要的是它“对人不友好”，虽然比MAC的16进制数要好一点，但还是难于记忆和输入。

怎么解决这个问题呢？

那就“以其人之道还治其人之身”，在IP地址之上再来一次抽象，把数字形式的IP地址转换成更有意义更好记的名字，在字符串的层面上再增加“新玩法”。于是，DNS域名系统就这么出现了。

域名的形式

在第4讲曾经说过，域名是一个有层次的结构，是一串用“.”分隔的多个单词，最右边的被称为“顶级域名”，然后是“二级域名”，层级关系向左依次降低。

最左边的是主机名，通常用来表明主机的用途，比如“www”表示提供万维网服务、“mail”表示提供邮件服务，不过这也不是绝对的，名字的关键是要让我们容易记忆。

看一下极客时间的域名“time.geekbang.org”，这里的“org”就是顶级域名，“geekbang”是二级域名，“time”则是主机名。使用这个域名，DNS就会把它转换成相应的IP地址，你就可以访问极客时间的网站了。

域名不仅能够代替IP地址，还有许多其他的用途。

在Apache、Nginx这样的Web服务器里，域名可以用来标识虚拟主机，决定由哪个虚拟主机来对外提供服务，比如在Nginx里就会使用“server_name”指令：

server {
    listen 80;                       #监听80端口
    server_name  time.geekbang.org;  #主机名是time.geekbang.org
    ...
}

域名本质上还是个名字空间系统，使用多级域名就可以划分出不同的国家、地区、组织、公司、部门，每个域名都是独一无二的，可以作为一种身份的标识。

举个例子吧，假设A公司里有个小明，B公司里有个小强，于是他们就可以分别说是“小明.A公司”，“小强.B公司”，即使B公司里也有个小明也不怕，可以标记为“小明.B公司”，很好地解决了重名问题。

因为这个特性，域名也被扩展到了其他应用领域，比如Java的包机制就采用域名作为命名空间，只是它使用了反序。如果极客时间要开发Java应用，那么它的包名可能就是“org.geekbang.time”。

而XML里使用URI作为名字空间，也是间接使用了域名。

域名的解析

就像IP地址必须转换成MAC地址才能访问主机一样，域名也必须要转换成IP地址，这个过程就是“域名解析”。

目前全世界有几亿个站点，有几十亿网民，而每天网络上发生的HTTP流量更是天文数字。这些请求绝大多数都是基于域名来访问网站的，所以DNS就成了互联网的重要基础设施，必须要保证域名解析稳定可靠、快速高效。

DNS的核心系统是一个三层的树状、分布式服务，基本对应域名的结构：

  1. 根域名服务器（Root DNS Server）：管理顶级域名服务器，返回“com”“net”“cn”等顶级域名服务器的IP地址；
  2. 顶级域名服务器（Top-level DNS Server）：管理各自域名下的权威域名服务器，比如com顶级域名服务器可以返回apple.com域名服务器的IP地址；
  3. 权威域名服务器（Authoritative DNS Server）：管理自己域名下主机的IP地址，比如apple.com权威域名服务器可以返回www.apple.com的IP地址。

在这里根域名服务器是关键，它必须是众所周知的，否则下面的各级服务器就无从谈起了。目前全世界共有13组根域名服务器，又有数百台的镜像，保证一定能够被访问到。

有了这个系统以后，任何一个域名都可以在这个树形结构里从顶至下进行查询，就好像是把域名从右到左顺序走了一遍，最终就获得了域名对应的IP地址。

例如，你要访问“www.apple.com”，就要进行下面的三次查询：

  1. 访问根域名服务器，它会告诉你“com”顶级域名服务器的地址；
  2. 访问“com”顶级域名服务器，它再告诉你“apple.com”域名服务器的地址；
  3. 最后访问“apple.com”域名服务器，就得到了“www.apple.com”的地址。

虽然核心的DNS系统遍布全球，服务能力很强也很稳定，但如果全世界的网民都往这个系统里挤，即使不挤瘫痪了，访问速度也会很慢。

所以在核心DNS系统之外，还有两种手段用来减轻域名解析的压力，并且能够更快地获取结果，基本思路就是“缓存”。

首先，许多大公司、网络运行商都会建立自己的DNS服务器，作为用户DNS查询的代理，代替用户访问核心DNS系统。这些“野生”服务器被称为“非权威域名服务器”，可以缓存之前的查询结果，如果已经有了记录，就无需再向根服务器发起查询，直接返回对应的IP地址。

这些DNS服务器的数量要比核心系统的服务器多很多，而且大多部署在离用户很近的地方。比较知名的DNS有Google的“8.8.8.8”，Microsoft的“4.2.2.1”，还有CloudFlare的“1.1.1.1”等等。

其次，操作系统里也会对DNS解析结果做缓存，如果你之前访问过“www.apple.com”，那么下一次在浏览器里再输入这个网址的时候就不会再跑到DNS那里去问了，直接在操作系统里就可以拿到IP地址。

另外，操作系统里还有一个特殊的“主机映射”文件，通常是一个可编辑的文本，在Linux里是“/etc/hosts”，在Windows里是“C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\hosts”，如果操作系统在缓存里找不到DNS记录，就会找这个文件。

有了上面的“野生”DNS服务器、操作系统缓存和hosts文件后，很多域名解析的工作就都不用“跋山涉水”了，直接在本地或本机就能解决，不仅方便了用户，也减轻了各级DNS服务器的压力，效率就大大提升了。

下面的这张图比较完整地表示了现在的DNS架构。

在Nginx里有这么一条配置指令“resolver”，它就是用来配置DNS服务器的，如果没有它，那么Nginx就无法查询域名对应的IP，也就无法反向代理到外部的网站。

resolver 8.8.8.8 valid=30s;  #指定Google的DNS，缓存30秒

域名的“新玩法”

有了域名，又有了可以稳定工作的解析系统，于是我们就可以实现比IP地址更多的“新玩法”了。

第一种，也是最简单的，“重定向”。因为域名代替了IP地址，所以可以让对外服务的域名不变，而主机的IP地址任意变动。当主机有情况需要下线、迁移时，可以更改DNS记录，让域名指向其他的机器。

比如，你有一台“buy.tv”的服务器要临时停机维护，那你就可以通知DNS服务器：“我这个buy.tv域名的地址变了啊，原先是1.2.3.4，现在是5.6.7.8，麻烦你改一下。”DNS于是就修改内部的IP地址映射关系，之后再有访问buy.tv的请求就不走1.2.3.4这台主机，改由5.6.7.8来处理，这样就可以保证业务服务不中断。

第二种，因为域名是一个名字空间，所以可以使用bind9等开源软件搭建一个在内部使用的DNS，作为名字服务器。这样我们开发的各种内部服务就都用域名来标记，比如数据库服务都用域名“mysql.inner.app”，商品服务都用“goods.inner.app”，发起网络通信时也就不必再使用写死的IP地址了，可以直接用域名，而且这种方式也兼具了第一种“玩法”的优势。

第三种“玩法”包含了前两种，也就是基于域名实现的负载均衡。

这种“玩法”也有两种方式，两种方式可以混用。

第一种方式，因为域名解析可以返回多个IP地址，所以一个域名可以对应多台主机，客户端收到多个IP地址后，就可以自己使用轮询算法依次向服务器发起请求，实现负载均衡。

第二种方式，域名解析可以配置内部的策略，返回离客户端最近的主机，或者返回当前服务质量最好的主机，这样在DNS端把请求分发到不同的服务器，实现负载均衡。

前面我们说的都是可信的DNS，如果有一些不怀好意的DNS，那么它也可以在域名这方面“做手脚”，弄一些比较“恶意”的“玩法”，举两个例子：

好在互联网上还是好人多，而且DNS又是互联网的基础设施，这些“恶意DNS”并不多见，你上网的时候不需要太过担心。

小结

这次我们学习了与HTTP协议有重要关系的域名和DNS，在这里简单小结一下今天的内容：

  1. 域名使用字符串来代替IP地址，方便用户记忆，本质上一个名字空间系统；
  2. DNS就像是我们现实世界里的电话本、查号台，统管着互联网世界里的所有网站，是一个“超级大管家”；
  3. DNS是一个树状的分布式查询系统，但为了提高查询效率，外围有多级的缓存；
  4. 使用DNS可以实现基于域名的负载均衡，既可以在内网，也可以在外网。

课下作业

  1. 在浏览器地址栏里随便输入一个不存在的域名，比如就叫“www.不存在.com”，试着解释一下它的DNS解析过程。
  2. 如果因为某些原因，DNS失效或者出错了，会出现什么后果？

欢迎你把自己的答案写在留言区，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。

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