芮辰

摘 要：域名查詢實驗是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的重要組成部分之一.該實驗設(shè)計以域名查詢的工作原理為核心，使用WireShark軟件捕獲并分析DNS報文，使用Packet Tracer軟件仿真域名查詢的迭代查詢和遞歸查詢過程.通過實驗，幫助學(xué)生更好地理解域名查詢的工作原理，提高了學(xué)生的理論水平和實踐能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)FTP、WWW等服務(wù)打下堅實的基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：域名系統(tǒng);遞歸查詢;迭代查詢;實驗綜述報告

中圖分類號：G642.0;TP312? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）10-0061-05

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計算機(jī)專業(yè)必修的一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-4]，域名系統(tǒng)（Domain Name System，DNS）是因特網(wǎng)的核心服務(wù)之一.對于計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，DNS查詢和應(yīng)答報文的格式，域名查詢原理是必須掌握的.但是，由于實驗設(shè)備的缺乏[5-6]和網(wǎng)絡(luò)知識本身的抽象性，增加了學(xué)生對于域名解析的理解和掌握難度.為了幫助學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)域名查詢的工作原理，設(shè)計了使用WireShark分析DNS查詢和應(yīng)答報文[7-9]，使用Cisco Packet Trace仿真DNS的遞歸和迭代查詢的實驗.

1 域名查詢原理

由于IP地址難以記憶，出現(xiàn)了使用“主機(jī)名”代替IP地址與服務(wù)器通信的需求，一種基于TCP/IP的域名系統(tǒng)應(yīng)運而生.域名系統(tǒng)提供的服務(wù)能夠?qū)⒂蛎D(zhuǎn)換為對應(yīng)的IP地址.如圖1所示，Internet采用層次樹狀結(jié)構(gòu)的域名空間命名方法，互聯(lián)網(wǎng)上的所有主機(jī)或路由器都有一個唯一的域名.每個域名由若干個分量組成，各分量之間用點隔開，格式為“… ….三級域名.二級域名.頂級域名”，如www.sina.com.

1.1 DNS服務(wù)器

DNS采用分布式客戶/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，有4種類型的域名服務(wù)器：

（1）本地DNS服務(wù)器：用戶主機(jī)有域名查詢需求時，先將查詢報文發(fā)送到本地DNS服務(wù)器.接收到查詢請求后，本地DNS服務(wù)器首先在緩存中查找對應(yīng)的IP地址，如找不到則將查詢請求發(fā)到指定的DNS服務(wù)器.

（2）授權(quán)DNS服務(wù)器.負(fù)責(zé)特定域名的域名解析，同時也具有本地DNS服務(wù)器的功能.授權(quán)DNS服務(wù)器總是能夠?qū)⑵涔茌牭闹鳈C(jī)域名轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的IP地址.

（3）頂級DNS服務(wù)器.負(fù)責(zé)管理該頂級域名中所有注冊的二級域名.

（4）根DNS服務(wù)器.全世界只有13臺，是最重要的DNS服務(wù)器，存有所有頂級DNS服務(wù)器的域名和IP地址，用來管理互聯(lián)網(wǎng)主目錄.當(dāng)本地DNS服務(wù)器請求根DNS服務(wù)器時，路由器就能找到離這個本地DNS服務(wù)器最近的一個根DNS服務(wù)器.

1.2 域名查詢原理

DNS的詳細(xì)概念、原理和機(jī)制定義在RFC1034和RFC1035中.共有3種域名查詢方式：遞歸查詢、迭代查詢和反向查詢.

（1）遞歸查詢（Recursion Query）.這是最常見的查詢方式，用戶主機(jī)向本地DNS服務(wù)器發(fā)出的查詢請求一般為遞歸查詢.本地DNS服務(wù)器接收到用戶主機(jī)的查詢請求后，先查詢自己的數(shù)據(jù)庫和緩存中是否有對應(yīng)記錄，如查詢到則將結(jié)果返回給用戶主機(jī);否則將同樣作為客戶端向最近的根DNS服務(wù)器提出查詢請求.這種查詢方式中，用戶主機(jī)向本地DNS服務(wù)器提出1次查詢請求，然后等待查詢結(jié)果.

（2）迭代查詢（Iteration Query）.本地DNS服務(wù)器向上層DNS服務(wù)器（外網(wǎng)）發(fā)出的查詢請求一般為迭代查詢.用戶主機(jī)向本地DNS服務(wù)器發(fā)送查詢請求后，如果本地DNS服務(wù)器不知道要查詢的IP地址，就向最近的根DNS服務(wù)器發(fā)出迭代查詢請求.根DNS服務(wù)器通常把某個頂級DNS服務(wù)器的IP地址發(fā)給本地DNS服務(wù)器，讓本地DNS服務(wù)器向該頂級DNS服務(wù)器查詢.頂級DNS服務(wù)器收到本地DNS的查詢請求后，或者直接返回所要查詢的IP地址，或者將知道該查詢結(jié)果的授權(quán)DNS服務(wù)器的IP地址告訴本地DNS服務(wù)器，讓本地DNS服務(wù)器向授權(quán)DNS服務(wù)器查詢.這種查詢方式中，用戶主機(jī)提出1次查詢請求，本地DNS服務(wù)器提出多次查詢請求，上層DNS服務(wù)器或者給出要查詢的IP址，或者返回一個能解答該域名查詢的DNS服務(wù)器地址，直到找到最終負(fù)責(zé)所查域名的DNS服務(wù)器，得到查詢結(jié)果.

（3）反向查詢（Reverse Query）.用戶主機(jī)查詢IP地址對應(yīng)的域名.

1.3 DNS報文格式

DNS查詢報文和應(yīng)答報文的格式是一樣的，如圖3所示[10-12]，各字段含義如下：

1.3.1 Header頭部

（1）ID：查詢報文和應(yīng)答報文的序列號.用于匹配未得到解決的查詢的響應(yīng).

（2）QR：為0表示查詢報文，為1表示應(yīng)答報文.

（3）Opcode：為0表示標(biāo)準(zhǔn)查詢，為1表示反向查詢，為2表示服務(wù)器狀態(tài)請求.

（4）AA：在應(yīng)答報文中才有意義.表示應(yīng)答服務(wù)器為授權(quán)DNS服務(wù)器.

（5）TC：表示可截斷.如應(yīng)答報文長度超過512字節(jié)，則只返回前512字節(jié).

（6）RD：如為1，表示建議域名服務(wù)器進(jìn)行遞歸查詢.

（7）RA：為1表示DNS服務(wù)器支持遞歸查詢.

（8）Z：保留值，未使用.在查詢和應(yīng)答報文中必須設(shè)為0.

（9）RCODE：在應(yīng)答報文中設(shè)置.為0表示無錯誤，為1表示報文格式錯誤，為2表示DNS服務(wù)器無法處理查詢請求，為3表示要查詢的域名不存在，為4表示DNS服務(wù)器不支持該查詢類型，為5表示DNS服務(wù)器拒絕應(yīng)答.

（10）QDCOUNT：查詢報文中的問題數(shù).

（11）ANCOUNT：應(yīng)答報文中的回答數(shù).

（12）NSCOUNT：授權(quán)記錄中的DNS服務(wù)器資源記錄數(shù).

（13）ARCOUNT：附加記錄中的資源記錄數(shù).

1.3.2 Question問題段

（1）QNAME：要查詢的域名（反向查詢中為IP地址）.如www.sohu.com，在報文中的表示方式為“3www4sohu3com0”，數(shù)字表示當(dāng)前這一級域名中的字符數(shù).

（2）QTYPE：需要應(yīng)答報文查詢的記錄類型，常見的查詢類型列在表1中.

（3）QCLASS：規(guī)定查詢的類.對于互聯(lián)網(wǎng)，值為1（IN）.

1.3.3 Answer，Authority和Additional段

這三個字段的格式是一樣的，各字段含義如下：

（1）NAME：域名.

（2）TYPE：查詢類型.含義和Question段中TYPE的含義一致.

（3）CLASS：查詢類.含義和Question段中CLASS的含義一致.

（4）TTL：查詢結(jié)果在客戶端緩存的存放時間，單位為秒.

（5）RDLENGTH：RDATA字段的長度.

（6）RDATA：格式和TYPE和CLASS有關(guān).例如，TYPE為A，CLASS為IN，那么RDATA為一個4字節(jié)ARPA網(wǎng)絡(luò)地址.

1.4 WireShark軟件和Packet Tracer軟件

1.4.1 WireShark

WireShark是目前世界上應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件.其主要功能是截獲網(wǎng)絡(luò)報文信息，并以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)報的詳細(xì)格式將網(wǎng)絡(luò)信息的微觀細(xì)節(jié)顯現(xiàn)給用戶.WireShark操作簡單，功能強(qiáng)大，是網(wǎng)絡(luò)安全工程師和普通學(xué)習(xí)者分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)秀工具.

1.4.2 Packet Tracer

Cisco Packet Tracer是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，用戶可以使用該軟件設(shè)計、配置、排除網(wǎng)絡(luò)故障、驗證網(wǎng)絡(luò)的正確性，通過模擬仿真網(wǎng)絡(luò)觀察網(wǎng)絡(luò)的實時運行情況.為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技實驗教學(xué)，提供了直觀的仿真環(huán)境[13-14].

2 實驗?zāi)康?/p>

（1）掌握DNS報文的格式

（2）理解域名查詢的工作過程

（3）熟練使用WireShark軟件抓取DNS包

（4）熟練使用Packet Tracer搭建虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)

（5）掌握ipconfig和nslookup命令的使用方法

3 實驗內(nèi)容

3.1 實驗環(huán)境

采用項目驅(qū)動、理論實踐一體化的實驗教學(xué)模式[15]，共安排4個實驗學(xué)時.將授課班級學(xué)生分為若干個小組進(jìn)行實驗.實驗的軟、硬件環(huán)境為：

（1）操作系統(tǒng)：64-bit Windows 10

（2）瀏覽器：Chrome Version 73.0.3683.103

（3）WireShark Version 3.0.0

（4）Cisco Packet Tracer Version 6.0.0.0045

3.2 實驗步驟

（1）使用ipconfig命令查詢本機(jī)IP地址和本地DNS服務(wù)器地址

首先，要確保本地主機(jī)可以正常連接互聯(lián)網(wǎng).在終端窗口輸入ipconfig/all命令，結(jié)果如圖4所示.查詢到本地主機(jī)的局域網(wǎng)IPv4地址為192. 168.1.110，首選/備用DNS服務(wù)器地址分別為：61. 132.163.68和202.102.213.68.

（2）使用nslookup命令查詢域名對應(yīng)的IP地址

nslookup命令可以用于查詢域名所對應(yīng)的IP地址.例如，在終端窗口輸入nslookup www.sina.com查詢到新浪網(wǎng)的IP地址為202.102.94.124，應(yīng)答DNS服務(wù)器地址為61.132.163.68，這正是本地主機(jī)默認(rèn)的首選DNS服務(wù)器地址.使用nslookup命令的第二種方式是在終端窗口中直接輸入nslookup，然后可連續(xù)輸入多個要查詢的域名.通過這種方式查詢www.sina.com和www.tencent.com的IP地址.如圖5所示.

（3）查看/清除本地DNS緩存

在終端窗口中輸入“ipconfig/displaydns”可以查詢保存在本地主機(jī)緩存中的DNS查詢結(jié)果，輸入“ipconfig/flushdns”可以清除保存在本地主機(jī)的DNS緩存.

（4）使用WireShark抓取并分析DNS查詢包和應(yīng)答包

打開WireShark軟件，由于域名查詢使用53號端口，因此將網(wǎng)絡(luò)報文的捕獲條件設(shè)置為”udp.port == 53 || tcp.port == 53”.在瀏覽器地址欄輸入“www.sohu.com”，圖6是通過WireShark截獲到的查詢包和應(yīng)答包.

分析圖7中的域名查詢包詳細(xì)信息：用戶192.168.1.110向DNS服務(wù)器61.132.163.68發(fā)出域名查詢請求，查詢方式為遞歸查詢，有1個查詢問題，查詢域名為www.sohu.com，查詢類型為A（IP地址），查詢的類為IN（互聯(lián)網(wǎng)）.

圖8是應(yīng)答包的詳細(xì)信息：DNS服務(wù)器支持遞歸查詢，1個查詢問題的應(yīng)答數(shù)為3.分析Answers中的應(yīng)答結(jié)果可知，前兩個應(yīng)答的類型都為CNAME（規(guī)范域名），sohu.com的規(guī)范域名為fjsy.a.sohu.com和gs.a.sohu.com，第三個應(yīng)答的類型為A（IPv4地址），該應(yīng)答給出了域名sohu.com的IP地址為110.43.83.1，這和使用nslookup命令查詢到的結(jié)果是一致的.Answers中還給出了三個應(yīng)答結(jié)果在緩存中的TTL（存放時間）.

（5）使用Packet Tracer仿真DNS遞歸查詢和迭代查詢

打開Packet Tracer軟件，搭建如圖9所示的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).所有主機(jī)和服務(wù)器的IP地址均設(shè)在同一網(wǎng)段，各服務(wù)器的IP地址和所要開啟的服務(wù)和相關(guān)信息如表2所示.將實驗用戶主機(jī)PC-PT的地址設(shè)為192.168.0.1，本地DNS服務(wù)器地址設(shè)為192.168.0.5.

分別設(shè)置sina.com和sohu.com服務(wù)器的HTTP服務(wù)的內(nèi)容如圖10所示.

接下來，進(jìn)行域名查詢實驗.在用戶主機(jī)PC-PT（192.168.0.1）的WEB瀏覽器中分別輸入www.sina.com和www.sohu.com，可正常進(jìn)行域名查詢，結(jié)果如圖11所示.

用戶主機(jī)PC-PT訪問www.sina.com時，直接通過本地DNS服務(wù)器（192.168.0.5）查詢.這種查詢方式為遞歸查詢.

用戶主機(jī)PC-PT訪問www.sohu.com時，先向本地DNS服務(wù)器（192.168.0.5）查詢;本地DNS服務(wù)器中沒有應(yīng)答結(jié)果，因此它向根DNS服務(wù)器（192.168.0.6）查詢;根DNS服務(wù)器中也沒有應(yīng)答結(jié)果，但它能查詢到應(yīng)答結(jié)果保存在dns.sohu.com（192.168.0.5）中，于是由根DNS服務(wù)器向dns.sohu.com發(fā)起查詢并將查詢結(jié)果存入自己的緩存，再轉(zhuǎn)發(fā)給本地DNS服務(wù)器;本地DNS服務(wù)器接收到結(jié)果后也存入自己的緩存，然后再發(fā)給用戶主機(jī)PC-PT.這種查詢方式為迭代查詢.

4 結(jié)束語

通過本實驗項目的理論學(xué)習(xí)和實踐操作后，學(xué)生對于DNS報文的格式、域名查詢的過程有了直觀深刻的認(rèn)識，并且能夠熟練使用WireShark抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，使用Packet Tracer構(gòu)建模擬仿真網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了實驗?zāi)康?教學(xué)實踐表明，該實驗項目突出了重點知識的掌握，加深了學(xué)生對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識的理解，增強(qiáng)了學(xué)生的動手實踐能力和團(tuán)隊合作意識，降低了學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識的枯燥性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果.

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