奚婧 胡文驊

摘要：本文主要介紹了基于.Net平臺的DNS域名解析仿真實驗在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。作者在闡述DNS服務(wù)器工作原理及域名解析過程的同時，以C#高級編程語言編寫基于非阻塞通信框架下的DNS仿真服務(wù)器，實現(xiàn)了Server-Server、Client-Server雙向通信，從而模擬了客戶端DNS查詢報文構(gòu)建、DNS查詢報文發(fā)送、DNS服務(wù)器端報文接收和解析、DNS響應(yīng)報文的回傳等功能。通過仿真編程實踐可以讓學(xué)生全面透徹理解DNS域名解析原理并有效鍛煉實際動手能力。

關(guān)鍵詞：DNS；分布式數(shù)據(jù)庫；.Net框架；權(quán)威域名服務(wù)器；報文解析；C#；非阻塞通信

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2019）08-0106-04

引言

在《計算機網(wǎng)絡(luò)》及《組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理》等相關(guān)課程教學(xué)中，學(xué)生對核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解掌握一直存在薄弱環(huán)節(jié)。因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講解要注重兩個層面的剖析，一個從整體角度出發(fā)介紹協(xié)議的作用、格式標(biāo)準(zhǔn)、流程步驟、所屬類別，另一個講述協(xié)議如何編碼實現(xiàn)。通過具體的編碼實踐，可以讓學(xué)生對協(xié)議的各個知識點有較為直觀具象的認識，與傳統(tǒng)的純理論式授課相比，實踐操作模式更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

本文以DNS域名解析仿真實驗為例，闡述計算機網(wǎng)絡(luò)課程中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議章節(jié)如何配套進行實驗教學(xué)設(shè)計。DNS系統(tǒng)是提供域名到IP地址這種映射服務(wù)，方便訪問因特網(wǎng)上的各個主機。其協(xié)議主要環(huán)節(jié)由四個方面組成：DNS查詢報文構(gòu)建、DNS查詢報文發(fā)送、DNS服務(wù)器端報文接收和解析、DNS響應(yīng)報文回傳。

實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容

本實驗旨在在教學(xué)過程中讓學(xué)生自主搭建起真實有效的環(huán)境平臺，模擬一個基于TCP/IP應(yīng)用程序及分布式數(shù)據(jù)庫的采用客戶-服務(wù)器（C/S）架構(gòu)模式的DNS域名解析系統(tǒng)；提供主機名稱和IP地址之間的轉(zhuǎn)換及有關(guān)電子郵件的選路信息服務(wù)，使大多數(shù)名字都在本地進行解析，僅少量解析需要在因特網(wǎng)（本地仿真）上通信，提高服務(wù)效率；模擬仿真開發(fā)平臺選用微軟.Net Framework，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio，關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用SQL Server 2008 Express，學(xué)生通過C#編程語言完成DNS客戶端和服務(wù)端組件的開發(fā)工作，并能實現(xiàn)雙向通信。

DNS仿真實驗總體概述

1.DNS工作原理解析

域名系統(tǒng)（DNS）是一種用于TCP/IP應(yīng)用程序的分布式數(shù)據(jù)庫，它提供主機名字和IP地址之間的轉(zhuǎn)換及有關(guān)電子郵件的選路信息。這里提到的分布式是指在Internet上的單個站點不能擁有所有的信息。DNS提供了允許服務(wù)器和客戶程序相互通信的協(xié)議。

當(dāng)某一個應(yīng)用程序進程需要把主機名解析為IP地址時，該應(yīng)用進程就調(diào)用解析程序，并成為DNS的一個客戶，把待解析的域名放在DNS請求報文中，以UDP用戶數(shù)據(jù)報方式發(fā)給本地服務(wù)器。本地域名服務(wù)器在查找域名后，把對應(yīng)的IP地址放在回答報文中返回。應(yīng)用進程獲得目的主機的IP地址后即可進行通信。若本地域名服務(wù)器不能回答該請求，則此域名服務(wù)器就暫時成為DNS中的另一個客戶，并向其他域名服務(wù)器發(fā)出查詢請求。

域名解析過程分為兩種類型：遞歸查詢和迭代查詢。一般主機向本地域名服務(wù)器的查詢采用遞歸查詢，而本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器的查詢通常采用迭代查詢。

所謂遞歸查詢，就是如果主機所詢問的本地域名服務(wù)器不知道被查詢域名的IP地址，那么本地域名服務(wù)器就以DNS客戶的身份，向其他根域名服務(wù)器繼續(xù)發(fā)出查詢請求報文（替主機完成查詢請求），而不是讓該主機自己向根域名發(fā)出查詢請求。因此，遞歸查詢返回的查詢結(jié)果或者是所要查詢的IP地址信息，或者是返回?zé)o法查詢到結(jié)果提示信息。

而迭代查詢是指當(dāng)本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器發(fā)送查詢報文后，根域名服務(wù)器要么直接給出IP，要么給出管理所要查詢域名的頂級域名的權(quán)限服務(wù)器地址，讓其轉(zhuǎn)向管理頂級域的服務(wù)器繼續(xù)查詢，而不是替本地域名服務(wù)器進行后續(xù)查詢（如上頁圖1）。同理，當(dāng)頂級域名服務(wù)器收到查詢報文后，要么直接給出IP地址，要么給出管理二級域名的權(quán)限服務(wù)器地址，讓其轉(zhuǎn)向查詢。最后，知道了所要解析的域名的IP地址之后把這個結(jié)果返回給發(fā)起查詢的主機。

2.系統(tǒng)通信框架結(jié)構(gòu)分析設(shè)計

正如前面所述，當(dāng)主機向本地域名服務(wù)器發(fā)送查詢請求后，若本地域名服務(wù)器不能回答該請求，則此域名服務(wù)器就暫時成為DNS中的另一個客戶，并向其他域名服務(wù)器發(fā)出查詢請求。所以在DNS系統(tǒng)當(dāng)中，域名服務(wù)器在充當(dāng)“服務(wù)器”角色的同時，也可以擔(dān)當(dāng)“客戶端”角色，因此通信模型的設(shè)計是基于點對點的網(wǎng)狀通信模型（如上頁圖2）。

3.系統(tǒng)功能模型分析設(shè)計

本文所說的DNS仿真系統(tǒng)核心功能模塊由四項組成：基于TCP協(xié)議的非阻塞通信模塊、報文封裝構(gòu)建模塊、報文解析查詢模塊、數(shù)據(jù)庫訪問模塊。

非阻塞通信模塊：完成基本的服務(wù)器與服務(wù)器之間的連接通信，包括端口監(jiān)聽、連接建立、信息收發(fā)等功能。

報文封裝構(gòu)建模塊：主要完成DNS查詢報文或者響應(yīng)報文的格式封裝。

報文解析查詢模塊：完成報文的解析，以及根據(jù)報文包含的信息進行查詢工作，如查詢A記錄、PTR指針信息。該模塊的運行需要依賴通信模塊及報文封裝構(gòu)建模塊。

數(shù)據(jù)庫訪問模塊：該模塊利用ADO.NET 2.0技術(shù)，實現(xiàn)對SQL Server 2008 Express中數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問功能，在本系統(tǒng)中，所有的Transact-SQL語句運行均采用存儲過程形式，并通過ADO.NET組件將結(jié)果集以SqlDataReader或者DataSet形式返回。之所以利用存儲過程，一方面是因為已編譯的SQL語句可以有效提高數(shù)據(jù)查詢效率，另一方面也保證了數(shù)據(jù)訪問的安全性。

DNS仿真實驗詳細構(gòu)成

1.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

頂級域名表，存放于根域名服務(wù)器（如表1）；二級域名表，存放于管理一級域的權(quán)限域名服務(wù)器（如表2）；三級域名表，存放于管理二級域的權(quán)限域名服務(wù)器（如表3）；域名-IP映射緩存表，存放于本地DNS服務(wù)器（如上頁表4）。

2.數(shù)據(jù)訪問接口設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫訪問方面，筆者采用了ADO.NET組件，ADO.NET是一種新的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，是.NET Framework中用以操作數(shù)據(jù)庫的類庫的總稱，提供對Microsoft SQL Server、Oracle以及OLE DB和XML數(shù)據(jù)源的一致訪問。具體來說，通過ADO.NET，應(yīng)用程序不但能夠連接到指向數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源，檢索、操作和更新數(shù)據(jù)，而且還能實現(xiàn)對其他數(shù)據(jù)格式的訪問。

3.通信模塊實現(xiàn)

在通信解決方案中筆者通過線程池來提供線程，線程池中預(yù)先創(chuàng)建了一些工作線程，它們不斷從工作隊列中取出任務(wù)，然后執(zhí)行該任務(wù)，當(dāng)工作線程執(zhí)行完一個任務(wù)后，就會繼續(xù)執(zhí)行工作隊列中下一個任務(wù)，從而減少了創(chuàng)建和銷毀線程的次數(shù)，每個工作線程都可以一直被重用，提高了并發(fā)性，減緩了系統(tǒng)資源開銷。

另外，本模塊的非阻塞通信構(gòu)架，是指當(dāng)線程執(zhí)行這些方法時，如果操作還沒有就緒，并不會繼續(xù)等待，而是立即返回。具體在.Net中，可以通過委托進行方法的異步調(diào)用來實現(xiàn)非阻塞，就是說程序在異步調(diào)用方法時，本身并不會因為方法的調(diào)用而中斷，而是從線程池中抓取一個線程去執(zhí)行該方法，自身線程（主線程）在完成抓取線程這一過程之后，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼，這樣就實現(xiàn)了代碼的并行執(zhí)行。

4.DNS報文查詢模塊實現(xiàn)

查詢模塊DnsQuery是本系統(tǒng)最為核心的一個類，在設(shè)計時，將其設(shè)定為靜態(tài)類。靜態(tài)類與非靜態(tài)類基本相同，但存在一個區(qū)別，即靜態(tài)類不能實例化，也就是說，不能使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建靜態(tài)類類型的變量。因為沒有實例變量，所以要使用類名本身訪問靜態(tài)類的成員。

之所以將DnsQuery類設(shè)定為靜態(tài)類，是因為對于只對輸入?yún)?shù)進行運算而不獲取或設(shè)置任何內(nèi)部實例字段的方法集，靜態(tài)類可以方便地用作這些方法集的容器。靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)僅調(diào)用一次，在程序駐留的應(yīng)用程序域的生存期內(nèi)，靜態(tài)類一直保留在內(nèi)存中。使用靜態(tài)類的優(yōu)點在于，編譯器能夠執(zhí)行檢查以確保不致偶然地添加實例成員。

5.用戶接口

在用戶接口設(shè)計方面，使用的是Windows窗體應(yīng)用程序形式。Windows窗體特別適合于豐富圖形用戶界面并非最重要任務(wù)的應(yīng)用程序快速開發(fā)方案。

總結(jié)

通過DNS域名解析仿真實驗，學(xué)生對DNS域名系統(tǒng)有了較為深入的了解。在具體實驗過程中，通過對DNS域名層次空間、報文封裝、解析、查詢流程的認真設(shè)計分析和編碼開發(fā)，學(xué)生可以逐個步驟還原DNS域名解析過程。仿真實驗教學(xué)的介入，很大程度上彌補了傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中知識點抽象、晦澀，學(xué)生難以理解的問題，詳細豐富的實驗設(shè)計也讓學(xué)生在動手實踐中有章可循并能觸類旁通，既提升了解決具體問題時綜合利用各類計算機編程工具的水平，也對鞏固所學(xué)理論知識形成良好的正向反饋。

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