[转帖]《Linux性能优化实战》笔记（十九）—— DNS 解析原理与故障案例分析

一、域名与 DNS 解析

域名主要是为了方便让人记住，而 IP 地址是机器间的通信的真正机制。以 time.geekbang.org 为例，最后面的 org 是顶级域名，中间的 geekbang 是二级域名，而最左边的 time 则是三级域名。点（.）是所有域名的根，所有域名都以点作为后缀。

把域名转换为 IP 地址的服务，就是域名解析服务（DNS）。对应的服务器就是域名服务器，网络协议则是 DNS 协议。DNS 协议在 TCP/IP 栈中属于应用层，不过实际传输还是基于 UDP 或者 TCP协议（UDP 居多），并且域名服务器一般监听在端口 53 上。

既然域名以分层的结构进行管理，相对应的，域名解析也是用递归的方式，发送给每个层级的域名服务器，直到得到解析结果。通常来说，每级 DNS 服务器都会有最近解析记录的缓存。当缓存命中时，直接用缓存中的记录应答；如果缓存过期或者不存在，才需要用刚刚提到的递归方式查询。

所以，系统管理员在配置 Linux 系统的网络时，除了需要配置 IP 地址，还需要配置DNS 服务器，这样才可以通过域名来访问外部服务。可以执行下面的命令来查询你的DNS配置






$ cat /etc/resolv.conf





nameserver 114.114.114.114

另外，DNS 服务通过资源记录的方式，来管理所有数据，它支持 A、CNAME、MX、NS、PTR 等多种类型的记录。比如
A 记录，用来把域名转换成 IP 地址；CNAME 记录，用来创建别名； NS 记录，则表示该域名对应的域名服务器地址。

比如以 time.geekbang.org 为例，执行下面的 nslookup 命令，就可以查询到这个域名的 A 记录，可以看到，它的 IP 地址是 39.106.233.176：






$ nslookup time.geekbang.org





# 域名服务器及端口信息





Server:    114.114.114.114





Address:  114.114.114.114#53





 





# 非权威查询结果





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.17

这里要注意，由于 114.114.114.114 并不是直接管理 time.geekbang.org 的域名服务器，所以查询结果是非权威的。使用上面的命令，你只能得到 114.114.114.114 查询的结果。

前面还提到，如果没有命中缓存，DNS 查询实际上是一个递归过程，那有没有方法可以知道整个递归查询的执行呢？其实除了 nslookup，另外一个常用的 DNS 解析工具 dig ，就提供了 trace 功能，可以展示递归查询的整个过程。






# +trace表示开启跟踪查询





# +nodnssec表示禁止DNS安全扩展





$ dig +trace +nodnssec time.geekbang.org





 





; <<>> DiG 9.11.3-1ubuntu1.3-Ubuntu <<>> +trace +nodnssec time.geekbang.org





;; global options: +cmd





.      322086  IN  NS  m.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  a.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  i.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  d.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  g.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  l.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  c.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  b.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  h.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  e.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  k.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  j.root-servers.net.





.      322086  IN  NS  f.root-servers.net.





;; Received 239 bytes from 114.114.114.114#53(114.114.114.114) in 1340 ms





 





org.      172800  IN  NS  a0.org.afilias-nst.info.





org.      172800  IN  NS  a2.org.afilias-nst.info.





org.      172800  IN  NS  b0.org.afilias-nst.org.





org.      172800  IN  NS  b2.org.afilias-nst.org.





org.      172800  IN  NS  c0.org.afilias-nst.info.





org.      172800  IN  NS  d0.org.afilias-nst.org.





;; Received 448 bytes from 198.97.190.53#53(h.root-servers.net) in 708 ms





 





geekbang.org.    86400  IN  NS  dns9.hichina.com.





geekbang.org.    86400  IN  NS  dns10.hichina.com.





;; Received 96 bytes from 199.19.54.1#53(b0.org.afilias-nst.org) in 1833 ms





 





time.geekbang.org.  600  IN  A  39.106.233.176





;; Received 62 bytes from 140.205.41.16#53(dns10.hichina.com) in 4 ms

第一部分，是从 114.114.114.114 查到的一些根域名服务器（.）的 NS 记录。
第二部分，是从 NS 记录结果中选一个（h.root-servers.net），并查询顶级域名 org.的 NS 记录。
第三部分，是从 org. 的 NS 记录中选择一个（b0.org.afilias-nst.org），并查询二级域名 geekbang.org. 的 NS 服务器。
最后一部分，就是从 geekbang.org. 的 NS 服务器（dns10.hichina.com）查询最终主机 time.geekbang.org. 的 A 记录。

这个输出里展示的各级域名的 NS 记录，其实就是各级域名服务器的地址，可以让你更清楚DNS 解析的过程。

很多时候，我们也希望能对局域网内部的主机进行域名解析，可以把主机名和 IP 地址的映射关系，写入本机的 /etc/hosts 文件中。这样，指定的主机名就可以在本地直接找到目标 IP。






$ cat /etc/hosts





127.0.0.1   localhost localhost.localdomain





::1         localhost6 localhost6.localdomain6





192.168.0.100 domain.com

或者，你还可以在内网中，搭建自定义的 DNS 服务器，专门用来解析内网中的域名。而内网 DNS 服务器，一般还会设置一个或多个上游 DNS 服务器，用来解析外网的域名。

清楚域名与 DNS 解析的基本原理后，接下来，我就带你一起来看几个案例，实战分析DNS 解析出现问题时，该如何定位。

二、案例分析

案例 1：DNS 解析失败

例如执行 nslookup time.geekbang.org 报错






nslookup time.geekbang.org





#报错如下





;; connection timed out; no servers could be reached

这个命令阻塞很久后，还是失败了，报了 connection timed out 和 no servers could be reached 错误。看到这里，估计你的第一反应就是网络不通了，到底是不是这样呢？我们用 ping 工具检查试试。






ping -c3 114.114.114.114





 





PING 114.114.114.114 (114.114.114.114): 56 data bytes





64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=0 ttl=56 time=31.116 ms





64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=1 ttl=60 time=31.245 ms





64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=2 ttl=68 time=31.128 ms





--- 114.114.114.114 ping statistics ---





3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet loss





round-trip min/avg/max/stddev = 31.116/31.163/31.245/0.058 ms

这个输出中，你可以看到网络是通的。

要怎么知道 nslookup 命令失败的原因呢？这里其实有很多方法，最简单的一种，就是开启 nslookup 的调试输出，查看查询过程中的详细步骤，排查其中是否有异常。






nslookup -debug time.geekbang.org





#输出





;; Connection to 127.0.0.1 #53(127.0.0.1) for time.geekbang.org failed: connection refused.





;; Connection to ::1 #53(::1) for time.geekbang.org failed: address not available.

可以看到，nslookup 连接环回地址（127.0.0.1 和 ::1）的 53 端口失败。这里就有问题了，为什么会去连接环回地址？

你可能已经想到了症结所在——可能是因为没有配置 DNS 服务器。那我们就执行下面的命令确认一下：

cat /etc/resolv.conf

果然，这个命令没有任何输出，说明的确没有配置 DNS 服务器。

到这一步，很自然的，我们就知道了解决方法。在 /etc/resolv.conf 文件中，配置上 DNS 服务器就可以了。配置好后，重新执行 nslookup 命令。自然，我们现在发现，这次可以正常解析了：






echo "nameserver 114.114.114.114" > /etc/resolv.conf





nslookup time.geekbang.org





#输出





Server:    114.114.114.114





Address:  114.114.114.114#53





 





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.176

案例 2：DNS 解析不稳定

还是运行 nslookup 命令，解析 time.geekbang.org 的 IP 地址。不过，这次要加一个 time 命令，输出解析所用时间。






time nslookup time.geekbang.org





#输出





Server:    8.8.8.8





Address:  8.8.8.8#53





 





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.176





 





real  0m10.349s





user  0m0.004s





sys  0m0.0

可以看到，这次解析非常慢，居然用了 10 秒。如果多次运行上面的 nslookup 命令，可能偶尔还会碰到下面这种错误：






time nslookup time.geekbang.org





#输出





;; connection timed out; no servers could be reached





 





real  0m15.011s





user  0m0.006s





sys  0m0.006s

换句话说，跟上一个案例类似，也会出现解析失败的情况。综合来看，现在 DNS 解析的结果不但比较慢，而且还会发生超时失败的情况。这是为什么呢？碰到这种问题该怎么处理呢？

其实，根据前面的讲解，我们知道，DNS 解析，说白了就是客户端与服务器交互的过程，并且这个过程还使用了 UDP 协议。那么，对于整个流程来说，解析结果不稳定，就有很多种可能的情况了。比方说：

DNS 服务器本身有问题，响应慢并且不稳定；
客户端到 DNS 服务器的网络延迟比较大；
DNS 请求或者响应包，在某些情况下被链路中的网络设备弄丢了

根据上面 nslookup 的输出，可以看到，现在客户端连接的 DNS 是 8.8.8.8，这是Google 提供的 DNS 服务，出问题的概率
应该比较小。基本排除了第一个可能。那是不是本机到 DNS 服务器的延迟比较大呢？

可以用ping 来测试服务器的延迟。比如，你可以运行下面的命令：






ping -c3 8.8.8.8





#输出





PING 8.8.8.8 (8.8.8.8): 56 data bytes





64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=31 time=137.637 ms





64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=31 time=144.743 ms





64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=31 time=138.576 ms





--- 8.8.8.8 ping statistics ---





3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet loss





round-trip min/avg/max/stddev = 137.637/140.319/144.743/3.152 ms

从 ping 的输出可以看到，延迟已经达到了 140ms，这也就可以解释，为什么解析这么慢了。实际上，如果你多次运行上面的 ping 测试，还会看到偶尔出现的丢包现象。






ping -c3 8.8.8.8





#输出





PING 8.8.8.8 (8.8.8.8): 56 data bytes





64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=30 time=134.032 ms





64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=30 time=431.458 ms





--- 8.8.8.8 ping statistics ---





3 packets transmitted, 2 packets received, 33% packet loss





round-trip min/avg/max/stddev = 134.032/282.745/431.458/148.713 ms

这也进一步解释了，为什么 nslookup 偶尔会失败，正是网络链路中的丢包导致的。碰到这种问题该怎么办呢？显然，既然延迟太大，那就换一个延迟更小的 DNS 服务器，比如电信提供的 114.114.114.114。

配置之前，我们可以先用 ping 测试看看，它的延迟是不是真的比 8.8.8.8 好。可以看到，它的延迟只有 31ms：






ping -c3 114.114.114.114





#输出





PING 114.114.114.114 (114.114.114.114): 56 data bytes





64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=0 ttl=67 time=31.130 ms





64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=1 ttl=56 time=31.302 ms





64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=2 ttl=56 time=31.250 ms





--- 114.114.114.114 ping statistics ---





3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet loss





round-trip min/avg/max/stddev = 31.130/31.227/31.302/0.072 ms

这个结果表明，延迟的确小了很多。我们继续执行下面的命令，更换 DNS 服务器，然后，再次执行 nslookup 解析命令：






echo nameserver 114.114.114.114 > /etc/resolv.conf





time nslookup time.geekbang.org





#输出





Server:    114.114.114.114





Address:  114.114.114.114#53





 





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.176





 





real    0m0.064s





user    0m0.007s





sys     0m0.006s

你可以发现，现在只需要 64ms 就可以完成解析，比刚才的 10s 要好很多。到这里，问题看似就解决了。不过，如果你多次运行 nslookup 命令，估计就不是每次都有好结果了。比如，在我的机器中，就经常需要 1s 甚至更多的时间。






time nslookup time.geekbang.org





#输出





Server:    114.114.114.114





Address:  114.114.114.114#53





 





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.176





 





real  0m1.045s





user  0m0.007s





sys  0m0.004s

案例 3：利用 DNS 缓存继续优化

1s 的 DNS 解析时间还是太长了，对很多应用来说也是不可接受的。该怎么解决这个问题呢？我想你一定已经想到了，那就是使用 DNS 缓存。这样，只有第一次查询时需要去 DNS 服务器请求，以后的查询，只要 DNS 记录不过期，使用缓存中的记录就可以了。

不过要注意，除了最新版本的 Ubuntu（18.04及以上）外，其他版本并没有自动配置 DNS 缓存。所以，想要为系统开启 DNS 缓存，就需要你做额外的配置。比如，最简单的方法，就是使用 dnsmasq。

dnsmasq 是最常用的 DNS 缓存服务之一，还经常作为 DHCP 服务来使用。它的安装和配置都比较简单，性能也可以满足绝大多数应用程序对 DNS 缓存的需求。执行下面的命令，就可以启动 dnsmasq：






/etc/init.d/dnsmasq start





#输出





 * Starting DNS forwarder and DHCP server dnsmasq                    [ OK ]

然后，修改 /etc/resolv.conf，将 DNS 服务器改为 dnsmasq 的监听地址，这儿是127.0.0.1。接着，重新执行多次 nslookup 命令：






echo nameserver 127.0.0.1 > /etc/resolv.conf





time nslookup time.geekbang.org





#输出





Server:    127.0.0.1





Address:  127.0.0.1#53





 





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.176





 





real  0m0.492s





user  0m0.007s





sys  0m0.006s





 





time nslookup time.geekbang.org





#输出





Server:    127.0.0.1





Address:  127.0.0.1#53





 





Non-authoritative answer:





Name:  time.geekbang.org





Address: 39.106.233.176





 





real  0m0.011s





user  0m0.008s





sys  0m0.003s

可以看到，只有第一次的解析很慢，需要 0.5s，以后的每次解析都很快，只需要11ms，并且后面每次 DNS 解析需要的时间也都很稳定。

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