了解DNS的工作原理，了解根域名的管理机制

自从美国宣布“清洁网络”行动后，很多懂点网络的人，第一反应是，美国人会下手根域名服务器吗？

这种忧虑可不是一年两年了。

2014年6月24日的《人民日报》上引用专家发言：“目前美国掌握着全球互联网13台域名根服务器中的10台。理论上，只要在根服务器上屏蔽该国家域名，就能让这个国家的国家顶级域名网站在网络上瞬间“消失”。在这个意义上，美国具有全球独一无二的制网权，有能力威慑他国的网络边疆和网络主权。譬如，伊拉克战争期间，在美国政府授意下，伊拉克顶级域名“.iq”的申请和解析工作被终止，所有网址以“.iq”为后缀的网站从互联网蒸发。”1

《信息安全与通信保密》杂志2014年第10期的一篇文章写道：“2004年，由于与利比亚在顶级域名管理权问题上发生争执，美国终止了利比亚的顶级域名.LY的解析服务，导致利比亚从网络中消失3天。”2

对此，我们需要害怕吗？我们需要什么样的反制措施？

不是专家，还真回答不了这个问题。

因为这需要了解DNS的工作原理，了解根域名的管理机制。

这里先给出简要回答：不排除这种可能性，但并不是没有办法。

一句话原因：虽然根不在我们手里，但我们有镜像。

DNS傻瓜书

先了解点基本概念，懂DNS的可以直接跳过本节。

1、DNS是什么？

DNS就是将域名转换为IP的，因为我们人类的记忆力太差，根本记不住IP，而电脑通信又必须用IP，所以人类发明了域名，让我们可以记住baidu.com、taobao.com这种还算能记得住的域名。然后通过DNS，将这些域名转换为电脑需要的IP。

2、DNS是怎么工作的？

每个电脑里面都设置了本地DNS服务器（简称LDNS），需要的时候，就向LDNS发出请求，LDNS在网上问权威域名服务器（简称权威DNS），有时候问一家是不够的，要问一大圈下来，最后才能得到答案。

3、权威DNS是干什么的？

问我一个域名，我告诉你IP，如果我不知道，我告诉你谁可能知道，你再去问它。

4、什么是根域名服务器（简称根DNS）？

当LDNS啥都不知道的时候（也即没有任何缓存），就去问根DNS，根能告诉LDNS下一步该问谁。

5、全世界有多少根DNS？

13个，其中10个在美国，英国和瑞典各1个，日本1个。

6、根DNS的名字和IP都是什么？

在这个网址：

https://www.internic.net/domain/named.root

打开可以看到，里面有13个根的名字和IP，其名字从A.root-servers.net到M.root-servers.net。

A开头那个简称A根，是主根，其他12个（B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M）是辅根。

为什么根DNS只有13台？

本节看不懂没关系（一般人都看不懂），你只需要知道，由于历史原因和技术原因，对于IPv4而言，根DNS只能有13个IP。

正宗答案是：DNS主要使用UDP数据报传送报文，不含前面的各种头部，DNS报文要求被控制在512字节之内（ RFC1035 ），主要考虑是这个大小几乎可以在互联网上畅通无阻，不会因为路径中某个MTU太小（ MTU 通常总会 >= 576，见 RFC791 ）而导致IP分片，从而预防了各种不可预期的后果3。

而每一个根DNS在DNS报文中都要占用一定的字节数，比如根的名称、TTL、IP地址等。这样，13个根域名服务器基本上就把空间占差不多了，剩余的字节还要用于包装DNS报头以及其它协议参数，所以根域名服务器不易太多，13个算是比较合适的数目。具体可以看一下“Why 13 DNS root servers?”这篇文章。4

真的只有13台服务器吗？

和很多人想象的完全不一样，这13个根域名服务器，并不是只有13台物理的服务器。

这13个根，只是一个逻辑上的概念，每个根DNS，背后都有多台真正的物理服务器在工作！

截至2020年8月12日，全球一共有1097个根服务器。每一个根都有若干个镜像，分布在全球不同的地方。

这个数目在不断上涨，去年10月1日新中国成立70周年阅兵的时候，我看了一下，是1015个服务器。

这13个根由12个独立的机构管理，比如A根和J根都是由Verisign公司管理，截至2020年8月12日，A根在全球各地有53个站点，J根有185个站点。L根由ICANN管理，全球有167个站点，其中北京2个，上海1个。

在root-servers网站上5，可以查到所有这些根服务器的分布，从网站展示的根镜像服务器地图上看（2020年8月12日），北京有 5 个根镜像服务器，上海 1 个，杭州 2 个，武汉1个、郑州1个、西宁1个、贵阳1个、广州1个、香港 9 个，台北 6 个。

包含港澳台部分，我国一共有28个根镜像。

我国境内发出的对根DNS的请求，其实都由镜像完成了。这一点后面会解释。

现在，为了增长知识，你该硬着头皮看一些DNS细节了。

DNS到底是怎么工作的？

对于IT从业者，希望你能理解并牢牢记住本节的内容。

因为你迟早会遇到有关DNS的困惑。

先介绍一下域名的级别：

.代表根域名， .com这种是顶级域名，也叫一级域名，baidu.com这种叫二级域名， www.baidu.com这种叫三级域名，依次类推。

注：也有其他叫法的，反正你知道这个意思就可以了。

再介绍一下最常见的两种域名服务器：

权威DNS：负责对请求作出权威的回答。权威DNS中存储着记录，最常见的3种：A记录（记录某域名和其IP的对应），NS记录（记录某域名和负责解析该域的权威DNS），CNAME记录（负责记录某域名及其别名）。权威能直接回答的，就回A记录；需要其他权威DNS回答的，就回NS记录，然后LDNS再去找其他权威DNS问；如果该记录是别名类型的，就回CNAME，LDNS就会再去解析别名。

递归DNS：通常就是LDNS，它接受终端的域名查询请求，负责在网上问一圈后，将答案返回终端。

现在举一个具体的例子：比如终端请求www.baidu.com这个域名的IP。

在没有缓存时，LDNS会从根DNS问起：

1、LDNS问根DNS说：“www.baidu.com的IP是多少啊？”。

2、根DNS说：“我哪有时间管你这么细的问题，你去问com顶级域的DNS吧，我只管到顶级域，喏，这些是com顶级域DNS的名字和IP，你去问它们吧”。（以NS记录回应）

3、LDNS又忙问com的权威DNS，com权威DNS说：“你问的这是三级域名，我不管这么多，你去问baidu.com的权威DNS吧，它的名字是ns.baidu.com，他的IP是XXX（这里可能给出多个权威DNS）”。

4、LDNS继续问baidu.com的权威DNS，这次痛快，因为www.baidu.com正是它管的，它可能直接给出A记录，也可能给出CNAME记录，如果是前者，就直接得到IP，如果是后者，就需要对别名再做查询。

5、最终，LDNS得到www.baidu.com的IP，并将其返回给终端。

细心的人会问，在第1步中，LDNS问根DNS的时候，他是怎么知道根DNS的IP的？

这13个IP通常是预先配置在LDNS里面的。在LDNS初始化DNS缓存或者缓存失效的时候，LDNS向自己被预先配置的这些IP中的一个，发起对根的查询（也即询问.的NS记录），获得最新的根DNS的信息6。

对于DNS服务器软件而言，这13个IP，配置在根提示文件（root hints file）中，可能是named.cache或root.ca或root.hints等等之类的文件。

上面就是各种教科书中都会讲到的DNS查询过程，但实际上，没有这么麻烦，因为各个层面都是有缓存的。

实际DNS查询的过程，是这样的：

举个例子，比如用户在浏览器中输入这个域名：123.abc.qq.com.cn

1、浏览器会先看自身有没有对这个域名的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，就去问操作系统，操作系统也会去看自己的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，再去hosts文件看，也没有，才会去问LDNS。

2、LDNS会去先看看自己有没有123.abc.qq.com.cn的A记录，要有就直接返回，要没有，就去看有没有abc.qq.com.cn的NS记录，如果有，就去问它要答案，如果没有，就去看有无qq.com.cn的NS的记录，如果有，就去问它，没有就去看有无com.cn的DNS，还没有就去看有无cn的DNS，如果连cn的NS记录都没有，才去问根。

所以，有了缓存以后，教科书上那种从根问起的情况，实际上很少发生。

只有在各处都没有缓存的时候，我们才会问根。

根镜像起什么作用？

根镜像承担起和根一样的功能。

根DNS中，最重要的文件就是根区文件（Root Zone file）。所有顶级域名记录都存在根区文件中。

辅根从主根同步数据，根镜像从根同步数据。最终，所有根和镜像都有着同样的根区文件。

而且最有意思的是，根镜像和根有着同样的IP。

我们知道，全球有一千多个根镜像，但是大多数人不知道，它们一起共享13个IP！ 对的。因为只有13个根。

这是如何做到的？答案是任播（Anycast，又译泛播）技术。

不关心技术细节的，请直接看本节的最后一句。

任播最初由RFC1546提出，主要用在DNS根服务器上。

任播是指在IP网络上通过一个IP地址标识一组提供特定服务的主机，服务访问方并不关心提供服务具体是哪一台主机提供的，访问该地址的报文可以被IP网络路由到“最近”的一个（最好也只是一个，别送到多个）服务器上。这里“最近”可以是指路由器跳数、服务器负载、服务器吞吐量、客户和服务器之间的往返时间（ RTT，round trip time ）、链路的可用带宽等特征值。

这样，一方面，用户可以就近访问；另一方面，即便部分根出现故障也没事。

有些同学可能联想到负载均衡，没错，大致上就是这个意思。

对于中国用户来说，对根的请求，一般不会跑到美国去，而是通过任播技术路由到中国境内的根镜像上。

根DNS是怎么管理的？

根DNS目前由12家机构管理。A根是主根，由美国公司Verisign管理。

根DNS中最重要的文件，根区文件，由ICANN管理。

ICANN（The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，互联网名称与数字地址分配机构）是成立于1998年的一家注册在美国的非营利性组织。

根DNS管理的历史变迁过程还是比较复杂的。这里简要说一下。

DNS最初的技术开发者与管理者是美国南加州大学的Jon Postel博士，他掌管互联网初期根DNS的管理和分配。

1988年，美国政府要求Jon Postel采取更安全和更合理的措施来保证互联网核心资源的分配和管理7。于是，大名鼎鼎的IANA（The Internet Assigned Numbers Authority，互联网数字分配机构）被组建，并在DARPA和南加州大学信息科学研究所（ISI）的合同下管理。

IANA负责互联网全局编号和编码的管理与协调，之所以需要这么个机构，是因为互联网协议的值或参数，必须是全球唯一的，否则无法互联互通，比如HTTP协议默认都在80端口等待用户请求，而404编码则一致代表"未找到页面”。IANA主要职责包括IP地址段的分配、协议代码和编号的分配（如协议号、端口号）、自治系统编号 (ASN) 分配、DNS根区管理（包括通用顶级域名gTLD以及国家和地区顶级域名ccTLD管理）等。8

1998年ICANN成立之后，美国商务部以合同形式，委托ICANN承担IANA日常运行，IANA从ISI转移到ICANN之下。

对于顶级域名的管理，ICANN的政策是，每个顶级域名（像com、cn、org这种顶级域名，目前有1000多个）都找一个托管商，该域名的所有事项都由托管商负责。

.cn域名的托管商是中国互联网络信息中心（CNNIC），它决定.cn域名的各种政策。

.com、.net 、.name、.gov这四个顶级域名都由Verisign公司托管。

Verisign和ICANN还是闹过几次不愉快的。9

2003年，Verisign 推出了一项新业务 Site Finder，用户访问没有注册过的.com或.net域名，都会被导向 Verisign 的网站。这意味着，它事实上拥有了所有没有注册过的.com和.net域名。几天之内，Verisign 就挤入了全世界的前10大网站。

ICANN 要求 Verisign 立刻停止该业务，否则将终止域名托管合同。Verisign 屈服了，停止了这项业务，但是接着就把 ICANN 告上了法庭，要求法庭厘请两者之间的合同，ICANN 到底有没有权力干涉它的业务。

2006年底，他们达成了庭外和解。ICANN 同意延长 Verisign 的顶级域名托管合同，并且同意 Verisign 向消费者收取的单个域名注册费的上限，从6美元提高到了7.85美元。这个费用标准，一直沿用到了今天，你去注册一个.com或.net域名，所交的钱有0.18美元是 ICANN 收取的管理费，7.85美元是 Verisign 收取的托管费，其余的钱就是域名零售商的费用。

虽然是ICANN运营着IANA，但毕竟是在美国政府的合同管理之下，全球各国以及民间人士颇有微词，一致认为美国政府应该彻底退出。

2014年3月14日，美国商务部国家通讯与信息管理局（NTIA）宣布愿意将IANA的管理权完全移交给ICANN，并要求ICANN制定移交计划。NTIA尤其强调，移交计划要强化多利益相关方模式，不能以政府间组织或政府领导的组织取代当前NTIA扮演的角色。

2016年3月17日，ICANN向NTIA提交了移交计划。2016年6月9日，NTIA公布审核意见，表示ICANN提交的移交计划满足了此前设定的条件。

2016年8月16日，NTIA宣布不再延期现有合同。

虽然遇到一些阻挠10，最终，2016年10月1日，ICANN和美国商务部之间关于IANA职能的合同到期且不再续约，ICANN彻底成为独立的非营利机构。IANA部门的员工和其他的相关资源都被转移到ICANN新设立的附属机构PTI（Public Technical Identifiers，公共技术标识符）中。

ICANN使用全球多利益相关方治理模型（global multistakeholder governance model）进行管理。PTI董事会共5席，3席由ICANN委派，2席由全球互联网社群代表组成提名委员会产生。2017年2月，ICANN发布PTI董事竞选公告，经半年多轮面试及背景调查，提名委员会于2017年10月26日宣布我国北龙中网的王伟与另一欧洲代表中选。又经一个半月的利益冲突审查，2017年12月13日ICANN董事会正式确认王伟当选。11

我国的根镜像由谁管理？

从目前我所找到的资料看，自2003年以来，我国在不断引进根镜像，尤其是去年，根镜像个数增速很快。

2003年，中国电信引入了国内第一个根镜像节点（F根）。

2005年，I根服务器运行机构在 CNNIC 设立了中国第二个根镜像（I根）。

2006年，中国联通(原中国网通)与美国 VeriSign 公司合作， 在国内正式开通J根镜像服务器，同时引入了全球最大的两个顶级域名 “.COM”和“.NET”镜像节点；引进这些镜像的主要目的是提高根域名和顶级域名的解析性能。

2014年，世纪互联与ICANN合作在中国增设L根域名服务器镜像。

2019年6月24日，工信部批准CNNIC设立六台域名根镜像服务器（F、I、K、L）。这六台域名根服务器编号为 JX0001F、JX0002F、JX0003I、JX0004K、JX0005L 和 JX0006L12，并批准互联网域名系统北京市工程研究中心（ZDNS）设立L根镜像服务器JX0007L13。

2019年11月6日，工信部批复同意中国信息通信研究院设立L根镜像服务器，编号分别为JX0008L、JX0009L。

2019年12月5日，工信部批复同意中国信息通信研究院设立域名根服务器（K根镜像服务器），编号为JX0010K。

2019年12月9日，工信部批复同意CNNIC设立域名根服务器（J、K根镜像服务器），编号分别为JX0011J、JX0012K。

从工信部的批文中可以了解到，相关单位负责根镜像的运行、维护和管理工作，维护国家利益和用户权益，并接受工信部的管理和监督检查。

工信部在给CNNIC的批文中写道：“你中心应严格遵守《互联网域名管理办法》《通信网络安全防护管理办法》及相关法律法规、行政规章及行业管理规定，接受我部的管理和监督检查，建立符合我部要求的信息管理系统并与我部指定的管理系统对接，保证域名根服务器安全、可靠运行，为用户提供安全、方便的域名服务，保障服务质量，保护用户个人信息安全，维护国家利益和用户权益。”

美国能对根DNS做什么手脚？

虽然ICANN是一个独立的非营利性机构，但如果美国政府动用强制力量，A根（主根）的内容仍然存在被篡改的可能。

也就是根区文件可以被篡改。

会怎么篡改？

我们先看看根区文件长什么样。

从ICANN官网上可以下载根区文件：

https://www.iana.org/domains/root/files

该文件保存所有顶级域名的信息，目前大小为2.2M，2万余行。

每当有顶级域名的变动时，该文件就会更新。

我们可以看到，和cn域名解析相关的记录也就那么几十行。

如果删除和cn相关的那些行，很快，就会同步到所有的根中。

然后，在所有的缓存都过期之后，全球所有人都访问不了.cn后缀的网站。

如何应对？

因为我们维护着根镜像，所以我们控制着镜像中的内容。

而中国境内的对根的访问，通过我们的运营商，都会落到对我国根镜像的访问上。

我们可以不同步关于cn的修改。

就这么简单。

可以简单写个程序，每次同步完立刻加上cn记录。

也可以自己搭个主根，完全不和美国的根同步。（相当于另立中央了）

当然，世界各地不在我们管理之下的根和根镜像，如果不加行动，仍然会同步这些删除。

那么，除了中国自己，其他国家的人都无法访问.cn网站。

但是，这些国家很快就会有响应，凡是想访问.cn网站的国家，都会把cn记录加回去，并拒绝同步美国删去的这几行。

最终，只有美国人，访问不了.cn网站。

综上分析，我认为美国这么做的可能性不大，因为这一招过于低劣，将会让美国政府完全颜面扫地，并失去今后在互联网领域的任何话语权。而ICANN也将失去公信力，整个互联网世界，会推选使用新的机构和新的主根。

因为互联网世界的一贯准则就是：如有封禁，就绕过它。

后记

最后，我们看看本文开头所提的两个断网事件是怎么回事：

关于伊拉克域名事件，可以看看清华大学段海新教授的文章：“伊拉克域名.IQ被美国删除的背后以及早期的根域名管理”，里面把整个事件的来龙去脉说的很清楚。主要原因是.iq域名的前任管理者于2002年被关进监狱，新任管理者（NCMC）于2005年才提出申请，而IANA当时还考虑征求新旧代理双方对新授权的一致认可，所以才出现了所谓的“申请和解析工作被终止”。

关于利比亚域名事件，可以看看此文：“利比亚国家顶级域名（.LY）中止服务始末”，事实情况是参与运营.LY的两家机构因争夺归属权而内斗的结果（其中一方关闭了.LY域名服务器的解析）。经过这番变乱，2004年10月，ICANN批准将.LY授予利比亚邮电总公司，.LY事件算是尘埃落定。

本文中提到的风险和应对，主要是我个人的分析，下面看看业内专家的说法。

中国工程院院士、清华大学计算机系主任吴建平在2019年的一次访谈14中表示，DNS根域名服务器不是互联网的“核按钮”。全球互联网根域名服务器运行者，不可能同时关闭所有的根服务器，包括影子服务器。

互联网域名系统北京市工程研究中心（ZDNS）主任毛伟表示15：互联网专家一直都在不断完善域名根系统安全保障机制，就算真的断“根”了，也有应急方法来解决。在境内，可以采用根区数据备份并搭建应急根服务器来解决；在全球层面，可以用根镜像、IPv6环境下的根服务器数量扩展、根服务器运行机构备选机制等方法来解决。

现在，了解了这么多，关于根域名服务器，你是不是放心了很多。