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摘 要：域名查询实验是计算机网络实验教学的重要组成部分之一.该实验设计以域名查询的工作原理为核心，使用WireShark软件捕获并分析DNS报文，使用Packet Tracer软件仿真域名查询的迭代查询和递归查询过程.通过实验，帮助学生更好地理解域名查询的工作原理，提高了学生的理论水平和实践能力，为后续学习FTP、WWW等服务打下坚实的基础.
关键词：域名系统;递归查询;迭代查询;实验综述报告
中图分类号：G642.0;TP312 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）10-0061-05
计算机网络是计算机专业必修的一门实践性很强的专业基础课程[1-4]，域名系统（Domain Name System，DNS）是因特网的核心服务之一.对于计算机专业的学生，DNS查询和应答报文的格式，域名查询原理是必须掌握的.但是，由于实验设备的缺乏[5-6]和网络知识本身的抽象性，增加了学生对于域名解析的理解和掌握难度.为了帮助学生更直观地学习域名查询的工作原理，設计了使用WireShark分析DNS查询和应答报文[7-9]，使用Cisco Packet Trace仿真DNS的递归和迭代查询的实验.
1 域名查询原理
由于IP地址难以记忆，出现了使用“主机名”代替IP地址与服务器通信的需求，一种基于TCP/IP的域名系统应运而生.域名系统提供的服务能够将域名转换为对应的IP地址.如图1所示，Internet采用层次树状结构的域名空间命名方法，互联网上的所有主机或路由器都有一个唯一的域名.每个域名由若干个分量组成，各分量之间用点隔开，格式为“… ….三级域名.二级域名.顶级域名”，如.
1.1 DNS服务器
DNS采用分布式客户/服务器（C/S）架构，有4种类型的域名服务器：
（1）本地DNS服务器：用户主机有域名查询需求时，先将查询报文发送到本地DNS服务器.接收到查询请求后，本地DNS服务器首先在缓存中查找对应的IP地址，如找不到则将查询请求发到指定的DNS服务器.
（2）授权DNS服务器.负责特定域名的域名解析，同时也具有本地DNS服务器的功能.授权DNS服务器总是能够将其管辖的主机域名转换为对应的IP地址.
（3）顶级DNS服务器.负责管理该顶级域名中所有注册的二级域名.
（4）根DNS服务器.全世界只有13台，是最重要的DNS服务器，存有所有顶级DNS服务器的域名和IP地址，用来管理互联网主目录.当本地DNS服务器请求根DNS服务器时，路由器就能找到离这个本地DNS服务器最近的一个根DNS服务器.
1.2 域名查询原理
DNS的详细概念、原理和机制定义在RFC1034和RFC1035中.共有3种域名查询方式：递归查询、迭代查询和反向查询.
（1）递归查询（Recursion Query）.这是最常见的查询方式，用户主机向本地DNS服务器发出的查询请求一般为递归查询.本地DNS服务器接收到用户主机的查询请求后，先查询自己的数据库和缓存中是否有对应记录，如查询到则将结果返回给用户主机;否则将同样作为客户端向最近的根DNS服务器提出查询请求.这种查询方式中，用户主机向本地DNS服务器提出1次查询请求，然后等待查询结果.
（2）迭代查询（Iteration Query）.本地DNS服务器向上层DNS服务器（外网）发出的查询请求一般为迭代查询.用户主机向本地DNS服务器发送查询请求后，如果本地DNS服务器不知道要查询的IP地址，就向最近的根DNS服务器发出迭代查询请求.根DNS服务器通常把某个顶级DNS服务器的IP地址发给本地DNS服务器，让本地DNS服务器向该顶级DNS服务器查询.顶级DNS服务器收到本地DNS的查询请求后，或者直接返回所要查询的IP地址，或者将知道该查询结果的授权DNS服务器的IP地址告诉本地DNS服务器，让本地DNS服务器向授权DNS服务器查询.这种查询方式中，用户主机提出1次查询请求，本地DNS服务器提出多次查询请求，上层DNS服务器或者给出要查询的IP址，或者返回一个能解答该域名查询的DNS服务器地址，直到找到最终负责所查域名的DNS服务器，得到查询结果.
（3）反向查询（Reverse Query）.用户主机查询IP地址对应的域名.
1.3 DNS报文格式
DNS查询报文和应答报文的格式是一样的，如图3所示[10-12]，各字段含义如下：
1.3.1 Header头部
（1）ID：查询报文和应答报文的序列号.用于匹配未得到解决的查询的响应.
（2）QR：为0表示查询报文，为1表示应答报文.
（3）Opcode：为0表示标准查询，为1表示反向查询，为2表示服务器状态请求.
（4）AA：在应答报文中才有意义.表示应答服务器为授权DNS服务器.
（5）TC：表示可截断.如应答报文长度超过512字节，则只返回前512字节.
（6）RD：如为1，表示建议域名服务器进行递归查询.
（7）RA：为1表示DNS服务器支持递归查询.
（8）Z：保留值，未使用.在查询和应答报文中必须设为0.
（9）RCODE：在应答报文中设置.为0表示无错误，为1表示报文格式错误，为2表示DNS服务器无法处理查询请求，为3表示要查询的域名不存在，为4表示DNS服务器不支持该查询类型，为5表示DNS服务器拒绝应答.
（10）QDCOUNT：查询报文中的问题数.
（11）ANCOUNT：应答报文中的回答数.
（12）NSCOUNT：授权记录中的DNS服务器资源记录数.
（13）ARCOUNT：附加记录中的资源记录数.
1.3.2 Question问题段
（1）QNAME：要查询的域名（反向查询中为IP地址）.如，在报文中的表示方式为“3www4sohu3com0”，数字表示当前这一级域名中的字符数.
（2）QTYPE：需要应答报文查询的记录类型，常见的查询类型列在表1中.
（3）QCLASS：规定查询的类.对于互联网，值为1（IN）.
1.3.3 Answer，Authority和Additional段
这三个字段的格式是一样的，各字段含义如下：
（1）NAME：域名.
（2）TYPE：查询类型.含义和Question段中TYPE的含义一致.
（3）CLASS：查询类.含义和Question段中CLASS的含义一致.
（4）TTL：查詢结果在客户端缓存的存放时间，单位为秒.
（5）RDLENGTH：RDATA字段的长度.
（6）RDATA：格式和TYPE和CLASS有关.例如，TYPE为A，CLASS为IN，那么RDATA为一个4字节ARPA网络地址.
1.4 WireShark软件和Packet Tracer软件
1.4.1 WireShark
WireShark是目前世界上应用最广泛的网络协议分析软件.其主要功能是截获网络报文信息，并以网络协议数据报的详细格式将网络信息的微观细节显现给用户.WireShark操作简单，功能强大，是网络安全工程师和普通学习者分析网络协议的优秀工具.
1.4.2 Packet Tracer
Cisco Packet Tracer是一款功能强大的网络仿真软件，用户可以使用该软件设计、配置、排除网络故障、验证网络的正确性，通过模拟仿真网络观察网络的实时运行情况.为计算机网络技实验教学，提供了直观的仿真环境[13-14].
2 实验目的
（1）掌握DNS报文的格式
（2）理解域名查询的工作过程
（3）熟练使用WireShark软件抓取DNS包
（4）熟练使用Packet Tracer搭建虚拟仿真网络
（5）掌握ipconfig和nslookup命令的使用方法
3 实验内容
3.1 实验环境
采用项目驱动、理论实践一体化的实验教学模式[15]，共安排4个实验学时.将授课班级学生分为若干个小组进行实验.实验的软、硬件环境为：
（1）操作系统：64-bit Windows 10
（2）浏览器：Chrome Version 73.0.3683.103
（3）WireShark Version 3.0.0
（4）Cisco Packet Tracer Version 6.0.0.0045
3.2 实验步骤
（1）使用ipconfig命令查询本机IP地址和本地DNS服务器地址
首先，要确保本地主机可以正常连接互联网.在终端窗口输入ipconfig/all命令，结果如图4所示.查询到本地主机的局域网IPv4地址为192. 168.1.110，首选/备用DNS服务器地址分别为：61. 132.163.68和202.102.213.68.
（2）使用nslookup命令查询域名对应的IP地址
nslookup命令可以用于查询域名所对应的IP地址.例如，在终端窗口输入nslookup 查询到新浪网的IP地址为202.102.94.124，应答DNS服务器地址为61.132.163.68，这正是本地主机默认的首选DNS服务器地址.使用nslookup命令的第二种方式是在终端窗口中直接输入nslookup，然后可连续输入多个要查询的域名.通过这种方式查询和的IP地址.如图5所示.
（3）查看/清除本地DNS缓存
在终端窗口中输入“ipconfig/displaydns”可以查询保存在本地主机缓存中的DNS查询结果，输入“ipconfig/flushdns”可以清除保存在本地主机的DNS缓存.
（4）使用WireShark抓取并分析DNS查询包和应答包
打开WireShark软件，由于域名查询使用53号端口，因此将网络报文的捕获条件设置为”udp.port == 53 "| tcp.port == 53”.在浏览器地址栏输入“”，图6是通过WireShark截获到的查询包和应答包.
分析图7中的域名查询包详细信息：用户192.168.1.110向DNS服务器61.132.163.68发出域名查询请求，查询方式为递归查询，有1个查询问题，查询域名为，查询类型为A（IP地址），查询的类为IN（互联网）.
图8是应答包的详细信息：DNS服务器支持递归查询，1个查询问题的应答数为3.分析Answers中的应答结果可知，前两个应答的类型都为CNAME（规范域名），sohu.com的规范域名为fjsy.a.sohu.com和gs.a.sohu.com，第三个应答的类型为A（IPv4地址），该应答给出了域名sohu.com的IP地址为110.43.83.1，这和使用nslookup命令查询到的结果是一致的.Answers中还给出了三个应答结果在缓存中的TTL（存放时间）.
（5）使用Packet Tracer仿真DNS递归查询和迭代查询
打开Packet Tracer软件，搭建如图9所示的虚拟仿真网络拓扑结构.所有主机和服务器的IP地址均设在同一网段，各服务器的IP地址和所要开启的服务和相关信息如表2所示.将实验用户主机PC-PT的地址设为192.168.0.1，本地DNS服务器地址设为192.168.0.5.
分别设置sina.com和sohu.com服务器的HTTP服务的内容如图10所示.
接下来，进行域名查询实验.在用户主机PC-PT（192.168.0.1）的WEB浏览器中分别输入和，可正常进行域名查询，结果如图11所示.
用户主机PC-PT访问时，直接通过本地DNS服务器（192.168.0.5）查询.这种查询方式为递归查询.
用户主机PC-PT访问时，先向本地DNS服务器（192.168.0.5）查询;本地DNS服务器中没有应答结果，因此它向根DNS服务器（192.168.0.6）查询;根DNS服务器中也没有应答结果，但它能查询到应答结果保存在dns.sohu.com（192.168.0.5）中，于是由根DNS服务器向dns.sohu.com发起查询并将查询结果存入自己的缓存，再转发给本地DNS服务器;本地DNS服务器接收到结果后也存入自己的缓存，然后再发给用户主机PC-PT.这种查询方式为迭代查询.
4 结束语
通过本实验项目的理论学习和实践操作后，学生对于DNS报文的格式、域名查询的过程有了直观深刻的认识，并且能够熟练使用WireShark抓取网络数据包，使用Packet Tracer构建模拟仿真网络，达到了实验目的.教学实践表明，该实验项目突出了重点知识的掌握，加深了学生对于计算机网络知识的理解，增强了学生的动手实践能力和团队合作意识，降低了学习计算机网络知识的枯燥性，激发了学生的学习兴趣，取得了较好的教学效果.
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