DNS

DNS【域名系统：（英文：Domain Name System，缩写：DNS）】是互联网的一项服务。 它作为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。 DNS使用TCP和UDP端口53。

白话版

就是客户端（例如：浏览器）传入的网站域名，到DNS列表中找到对应的ip返回给客户端，然后客户端根据ip就可以找到对应的服务器，就可以向服务器发送请求了。

说的在直接点：DNS目的就是把对应服务器IP给客户端。最后客户端与服务器通信就没DNS什么事了。

DNS 报文格式

DNS报文格式，不论是请求报文，还是DNS服务器返回的应答报文，都使用统一的格式。

  • Header 报文头
  • Question 查询的问题
  • Answer 应答
  • Authority 授权应答
  • Additional 附加信息
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DNS format

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|      Answer        |
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|      Additional    |
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Header 报文头

  • ID: 2个字节(16bit)，标识字段，客户端会解析服务器返回的DNS应答报文，获取ID值与请求报文设置的ID值做比较，如果相同，则认为是同一个DNS会话。
  • FLAGS: 2个字节(16bit)的标志字段。包含以下属性:
    • QR: 0表示查询报文，1表示响应报文;
    • opcode: 通常值为0（标准查询），其他值为1（反向查询）和2（服务器状态请求）,[3,15]保留值;
    • AA: 表示授权回答（authoritative answer）– 这个比特位在应答的时候才有意义，指出给出应答的服务器是查询域名的授权解析服务器;
    • TC: 表示可截断的（truncated）–用来指出报文比允许的长度还要长，导致被截断;
    • RD: 表示期望递归(Recursion Desired) – 这个比特位被请求设置，应答的时候使用的相同的值返回。如果设置了RD，就建议域名服务器进行递归解析，递归查询的支持是可选的;
    • RA: 表示支持递归(Recursion Available) – 这个比特位在应答中设置或取消，用来代表服务器是否支持递归查询;
    • Z : 保留值，暂未使用;
    • RCODE: 应答码(Response code) - 这4个比特位在应答报文中设置，代表的含义如下:
      • 0 : 没有错误。
      • 1 : 报文格式错误(Format error) - 服务器不能理解请求的报文;
      • 2 : 服务器失败(Server failure) - 因为服务器的原因导致没办法处理这个请求;
      • 3 : 名字错误(Name Error) - 只有对授权域名解析服务器有意义，指出解析的域名不存在;
      • 4 : 没有实现(Not Implemented) - 域名服务器不支持查询类型;
      • 5 : 拒绝(Refused) - 服务器由于设置的策略拒绝给出应答.比如，服务器不希望对某些请求者给出应答，或者服务器不希望进行某些操作（比如区域传送zone transfer）;
      • [6,15] : 保留值，暂未使用。
  • QDCOUNT: 无符号16bit整数表示报文请求段中的问题记录数。
  • ANCOUNT: 无符号16bit整数表示报文回答段中的回答记录数。
  • NSCOUNT: 无符号16bit整数表示报文授权段中的授权记录数。
  • ARCOUNT: 无符号16bit整数表示报文附加段中的附加记录数。
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Header format

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|                      ID                       |
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|QR|  opcode   |AA|TC|RD|RA|   Z    |   RCODE   |
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|                    QDCOUNT                    |
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|                    ANCOUNT                    |
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|                    NSCOUNT                    |
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|                    ARCOUNT                    |
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Question 查询字段

  • QNAME 无符号8bit为单位长度不限表示查询名(广泛的说就是：域名).
  • QTYPE 无符号16bit整数表示查询的协议类型.
  • QCLASS 无符号16bit整数表示查询的类,比如，IN代表Internet.
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Question format

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|                     ...                       |
|                    QNAME                      |
|                     ...                       |
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|                    QTYPE                      |
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|                    QCLASS                     |
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Answer/Authority/Additional

这3个字段的格式都是一样的。

  • NAME 资源记录包含的域名.
  • TYPE 表示DNS协议的类型.
  • CLASS 表示RDATA的类.
  • TTL 4字节无符号整数表示资源记录可以缓存的时间。0代表只能被传输，但是不能被缓存。
  • RDLENGTH 2个字节无符号整数表示RDATA的长度
  • RDATA 不定长字符串来表示记录，格式根TYPE和CLASS有关。比如，TYPE是A，CLASS 是 IN，那么RDATA就是一个4个字节的ARPA网络地址。
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Answer/Authority/Additional format

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|                    NAME                       |
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|                    TYPE                       |
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|                    CLASS                      |
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|                    TTL                        |
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|                    RDLENGTH                   |
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|                    RDATA                      |
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DNS请求报文解析

光说不做假把式。那如何对DNS请求报文进行解析呢。
先来看一下一个DNS请求报文：

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6dca 0100 0001 0000 0000 0000 0377 7777
0561 7070 6c65 0363 6f6d 0000 0100 01

这是一个Buffer实例，看完后是不是一脸懵B，别紧张，先看解析后console.log大概的样子，是不是世界瞬间变美好了。

下面是一个请求查询www.apple.com网站ip的DNS请求报文。

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//Header
ID:  <Buffer 6d ca>
FLAG:  QR:  0 opcode:  0 AA:  0 TC:  0 RD:  1
RA:  0 zero:  0 recode:  0
QDCOUNT:  <Buffer 00 01> ANCOUNT:  <Buffer 00 00> NSCOUNT:  <Buffer 00 00> ARCOUNT:  <Buffer 00 00>

//QUESTION
QNAME:  <Buffer 03 77 77 77 05 61 70 70 6c 65 03 63 6f 6d 00> QTYPE:  <Buffer 00 01> QCLASS:  <Buffer 00 01>

QUESTION STRING:  www.apple.com

请求报文解析分为2个小块：

  • Header报文头解析
  • QUESTION查询问题解析

Header 报文头解析

对Header部分进行解析。

先确定一下每个字段的大小：

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ID: 2 字节
QR: 1 bit
opcode: 4bit
AA: 1bit
TC: 1bit
RD: 1bit
RA: 1bit
Z : 3bit
RCODE: 4bit
QDCOUNT: 2 字节
ANCOUNT: 2 字节
NSCOUNT: 2 字节
ARCOUNT: 2 字节

共12个字节。

假如我们抛开第[3,4]个字节，其实很容易就可以把header解析，但是单位为bit的就需要对buffer实例的值进行位运算操作了。

所以以下参数的值可以直接从buffer中获取：

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var header = {};

header.id = buf.slice(0,2);
header.qdcount = buf.slice(4,6);
header.ancount = buf.slice(6,8);
header.nscount = buf.slice(8,10);
header.arcount = buf.slice(10, 12);

难点就是如何获取第[3,4]的值，首先需要把buffer实例对应的字节转成2进制字符串然后转换为数值，然后按参数的长度计算最后的结果。

第一步，将buffer转换为2进制字符串然后转换为数值(假设dns报文是buf)：

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//对第3个字节转成`2`进制字符串然后转换为数值
var b = buf.slice(2,3).toString('binary', 0, 1).charCodeAt(0);

第2步，进行数据切割：

首先需要理解下面这个函数，功能无非就是提取从offset开始，长度为length数字位，通过位运算转换为Integer类型的数然后返回。

说直白一点，就是把你需要的那一段2进制数据转换为Integer类型，并返回。

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var bitSlice = function(b, offset, length) {
    return (b >>> (7-(offset+length-1))) & ~(0xff << length);
};

注意这里因为只考虑一个字节 === 8bit，所以可以写成(7-(offset+length-1)) 和 0xff << length。假如不是一个字节，那么可能需要改变一下里面的数字7和0xff的值。

demo走起：

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'use strict';

var buf = Buffer.from([0x2d]);
var b = buf.toString('binary' , 0,1).charCodeAt(0);

console.log(bitSlice(b , 0, 1));//0
console.log(bitSlice(b , 1, 1));//0
console.log(bitSlice(b , 2, 1));//1
console.log(bitSlice(b , 3, 1));//0
console.log(bitSlice(b , 4, 1));//1
console.log(bitSlice(b , 5, 1));//1
console.log(bitSlice(b , 6, 1));//0
console.log(bitSlice(b , 7, 1));//1
console.log(bitSlice(b , 5, 3));//5  === 0000 0101

/**
 * 16进制：0x2d
 * 10进制：45
 * 2进制： 0010 1101
 *
 * (45,0,1)：45>>>7 & ~(0xff<<1) 
 *    45>>>7 = 0000 0000
 *    (0xff<<1)  = 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1111 1110   510
 *    ~(0xff<<1) = 1111 1111 1111 1111 1111 1110 0000 0001   -511 = -((0xff<<1)+1)
 *
 *      0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  === 45>>>7
 *    & 1111 1111 1111 1111 1111 1110 0000 0001  === ~(0xff<<1)
 *      ----------------------------------------
 *      0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 = 0
 *
 * (45,2,1)：45>>>5 & ~(0xff<<1) 
 *    45>>>5 = 0000 0001
 *    (0xff<<1)  = 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1111 1110   510
 *    ~(0xff<<1) = 1111 1111 1111 1111 1111 1110 0000 0001   -511 = -((0xff<<1)+1)
 *
 *      0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001  === 45>>>5
 *    & 1111 1111 1111 1111 1111 1110 0000 0001  === ~(0xff<<1)
 *      ----------------------------------------
 *      0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 = 1
 */

理解了上面的函数的作用之后就可以真正的使用这个函数取DNS报文Header的第[3,4]字节中的值。

信手拈来：

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//第3个字节
var b = buf.slice(2,3).toString('binary', 0, 1).charCodeAt(0);
header.qr = bitSlice(b,0,1);
header.opcode = bitSlice(b,1,4);
header.aa = bitSlice(b,5,1);
header.tc = bitSlice(b,6,1);
header.rd = bitSlice(b,7,1);

//第4个字节
b = buf.slice(3,4).toString('binary', 0, 1).charCodeAt(0);
header.ra = bitSlice(b,0,1);
header.z = bitSlice(b,1,3);
header.rcode = bitSlice(b,4,4);

QUESTION 查询字段解析

主要包括了查询域名，协议类型及类别。

这3个参数QTYPE和QCLASS是固定2字节，QNAME是不固定的。

所以取数据的时候需要注意，因为QUESTION信息是跟随在Header之后，所以要从第12个字节往后取：

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var question = {};
  question.qname = buf.slice(12, buf.length-4);
  question.qtype = buf.slice(buf.length-4, buf.length-2);
  question.qclass = buf.slice(buf.length-2, buf.length);

qname使用的是len+data混合编码，以0x00结尾。每个字符串都以长度开始，然后后面接内容。qname长度必须以8字节为单位。

例如www.apple.com(注意：中间的.是解析的时候自己添加上去的)，它的buffer实例表示为：

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03 77 77 77 05 61 70 70 6c 65 03 63 6f 6d 00
//约等于
3www5apple3com

也就是第一位表示的是长度，后面跟随相同长度的数据，依此类推。

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var domainify = function(qname) {
  var parts = [];

  for (var i = 0; i < qname.length && qname[i];) {
    var len = qname[i] , offset = i+1;//获取每一块域名长度

    parts.push(qname.slice(offset,offset+len).toString());//获取每一块域名

    i = offset+len;
  }

  return parts.join('.');//拼凑成完整域名
};

qtype协议类型. 查看详情

协议类型对应的列表：

值 协议类型 描述
1 A IPv4地址
2 NS 名字服务器
5 CNAME 规范名称定义主机的正式名字的别名
6 SOA 开始授权标记一个区的开始
11 WKS 熟知服务定义主机提供的网络服务
12 PTR 指针把IP地址转化为域名
13 HINFO 主机信息给出主机使用的硬件和操作系统的表述
15 MX 邮件交换把邮件改变路由送到邮件服务器
28 AAAA IPv6地址
252 AXFR 传送整个区的请求
255 ANY 对所有记录的请求

qclass通常为1，指Internet数据.

应用场景–dns请求代理

将以下代码保存为.js文件，然后使用Node.js执行，使用相同局域网内的机器配置DNS到这台机器即可。

以下代码仅供参考：

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'use strict';

const dgram = require('dgram');
const dns = require('dns');
const fs = require('fs');
const server = dgram.createSocket('udp4');

var bitSlice = function(b, offset, length) {
    return (b >>> (7-(offset+length-1))) & ~(0xff << length);
};

var domainify = function(qname) {
    var parts = [];

    for (var i = 0; i < qname.length && qname[i];) {
        var length = qname[i];
        var offset = i+1;

        parts.push(qname.slice(offset,offset+length).toString());

        i = offset+length;
    }

    return parts.join('.');
};

var parse = function(buf) {
    var header = {};
    var question = {};
    var b = buf.slice(2,3).toString('binary', 0, 1).charCodeAt(0);
    console.log('b：',b,buf.slice(2,3));
    header.id = buf.slice(0,2);
    header.qr = bitSlice(b,0,1);
    header.opcode = bitSlice(b,1,4);
    header.aa = bitSlice(b,5,1);
    header.tc = bitSlice(b,6,1);
    header.rd = bitSlice(b,7,1);

    b = buf.slice(3,4).toString('binary', 0, 1).charCodeAt(0);

    header.ra = bitSlice(b,0,1);
    header.z = bitSlice(b,1,3);
    header.rcode = bitSlice(b,4,4);

    header.qdcount = buf.slice(4,6);
    header.ancount = buf.slice(6,8);
    header.nscount = buf.slice(8,10);
    header.arcount = buf.slice(10, 12);

    question.qname = buf.slice(12, buf.length-4);
    question.qtype = buf.slice(buf.length-4, buf.length-2);
    question.qclass = buf.slice(buf.length-2, buf.length);

    return {header:header, question:question};
};

server.on('error' , (err)=>{
    console.log(`server error: ${err.stack}`);
});

server.on('message' , (msg , rinfo)=>{
    //fs.writeFile('dns.json' ,msg, {flag:'w',endcoding:'utf-8'} ,(err)=>{
    //    console.log(err);
    //});
    var query = parse(msg);
    console.log('标识ID: ' ,query.header.id);
    console.log('标识FLAG: ' , 'QR: ',query.header.qr , 'opcode: ',query.header.opcode , 'AA: ',query.header.aa , 'TC: ',query.header.tc,'RD: ',query.header.rd);
    
    console.log('RA: ',query.header.ra , 'zero: ',query.header.z , 'recode: ',query.header.rcode);

    console.log('QDCOUNT: ',query.header.qdcount , 'ANCOUNT: ' , query.header.ancount, 'NSCOUNT: ' , query.header.nscount,'ARCOUNT: ',query.header.arcount);
        
    console.log('QNAME: ',query.question.qname , 'QTYPE: ', query.question.qtype ,'QCLASS: ' , query.question.qclass);

    console.log('QUESTION STRING: ' ,domainify(query.question.qname));

    server.close();
});

server.on('listening' , ()=>{
    var address = server.address();
    console.log(`server listening ${address.address}:${address.port}`);
});

server.bind({port:53,address:'8.8.8.8'});//address需要指定到你要用于进行代理的机器ip

下一篇： DNS 响应报文详解

参考资料

http://docstore.mik.ua/orelly/networking_2ndEd/dns/appa_02.htm

http://www.comptechdoc.org/independent/networking/terms/dns-message-format.html

http://www.iprotocolsec.com/2012/01/13/%E4%BD%BF%E7%94%A8wireshark%E5%AD%A6%E4%B9%A0dns%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E5%8F%8Adns%E6%AC%BA%E9%AA%97%E5%8E%9F%E7%90%86/