为什么DNS查询要使用UDP协议？

当我们在浏览器地址栏中输入一个网址并按下回车键时，一场复杂而高效的通信就在幕后悄然发生，域名系统（DNS）扮演着互联网“电话簿”的角色，负责将我们易于记忆的域名（如www.example.com）翻译成机器能够理解的IP地址，在这场翻译过程中，绝大多数的查询请求都是通过用户数据报协议（UDP）来承载的，理解UDP DNS包的工作原理,是洞察互联网基础架构运作方式的关键一环。

为什么DNS选择UDP？

在众多网络协议中，DNS为何对UDP情有独钟？这主要源于UDP自身的几个核心特性,它们与DNS的需求高度契合。

速度与效率是首要考量，UDP是一种无连接的协议，它在发送数据之前不需要建立连接，省去了TCP协议中著名的“三次握手”过程，对于DNS这种典型的“请求-响应”模式，查询通常很小，响应也需要尽快返回，TCP的连接建立和拆除过程会引入显著的延迟，而UDP的“即发即走”模式则能实现极低的响应时间,这对于提升用户体验至关重要。

轻量级开销，UDP的头部非常简洁，仅包含8个字节，而TCP的头部则至少有20个字节，在处理海量的小型DNS查询时，这种头部字节的节省累积起来，能有效减少网络带宽的占用,提升整体传输效率。

实现的简单性，无连接的特性使得DNS服务器和客户端的实现都相对简单，不需要维护复杂的连接状态表,这降低了服务器的资源消耗和实现复杂度。

UDP DNS包的结构剖析

一个标准的UDP DNS包，其载荷部分遵循一个严谨的消息格式，这个格式由多个部分组成,共同协作完成查询与响应的任务。

头部字段尤为关键，它定义了整个包的行为,以下是其核心字段的简要说明：

• ID (16位)：用于匹配请求和响应，客户端发送请求时设置一个ID,服务器在响应中返回相同的ID。
• 标志 (16位)：包含多个子标志位，如QR（查询/响应标志）、Opcode（操作码）、AA（权威回答）、TC（截断标志）、RD（期望递归）、RA（递归可用）和RCODE（响应码）。
• 计数器 (四个16位字段)：分别指明问题、回答、授权和附加部分中资源记录的数量。

UDP的局限性与TCP的补充

尽管UDP在DNS查询中占据主导地位，但其天生的不可靠性和大小限制也是不容忽视的短板。

UDP不保证数据包的送达，也不保证其顺序，一个DNS查询包或响应包可能在网络中丢失，为了应对这种情况，DNS解析器通常内置了重传机制，如果在一定时间内没有收到响应，解析器会重新发送查询,通常会尝试几次后才最终放弃。

更关键的是数据包大小的限制，传统的DNS协议规定，通过UDP传输的响应包大小不得超过512字节，一旦响应数据（一个域名对应了大量的A记录，或者启用了DNSSEC）超过这个限制，服务器会在响应包的头部设置TC（Truncated）标志为1，客户端收到这个被截断的响应后，便会自动切换到TCP协议，重新发送相同的查询，TCP是面向连接的、可靠的协议，它能够将大数据分段传输并确保其完整性,因此能够成功获取完整的响应。

TCP在DNS体系中扮演着重要的“后备”角色,主要用于以下场景：

1. 响应被截断：当UDP响应包大小超过限制时。
2. 区域传送：当DNS服务器之间同步整个域名区域的记录时，数据量巨大,必须使用TCP。
3. 安全传输：DNS over TLS (DoT) 和 DNS over HTTPS (DoH) 等现代加密DNS协议,其底层都依赖于TCP来建立安全的连接通道。

现代DNS与UDP的演进

为了克服UDP的512字节限制，EDNS0（Extension Mechanisms for DNS 0）应运而生，EDNS0本身不是一个新协议，而是对现有DNS协议的扩展，它允许客户端在附加部分宣告自己能够接收更大的UDP包（例如4096字节），如果服务器也支持EDNS0，就可以直接通过UDP发送更大的响应，从而避免了频繁切换到TCP的开销，这在DNSSEC（DNS安全扩展）普及的今天尤为重要,因为数字签名会显著增加响应包的大小。

尽管如此，UDP与TCP在DNS世界中的协同关系依然稳固，UDP以其无与伦比的速度和效率处理着日常海量的标准查询，而TCP则在关键时刻提供可靠的保障，这种分工协作的设计，确保了DNS系统既高效又健壮,为整个互联网的稳定运行奠定了坚实的基础。

相关问答FAQs

Q1：如果UDP DNS包在传输过程中丢失了，是不是就意味着我的网页会打不开？

A： 不必过于担心，现代操作系统和应用程序中的DNS解析器都设计了完善的容错机制，当一个UDP查询发出后，解析器会启动一个计时器，如果在设定的时间（通常是几秒钟）内没有收到响应，解析器会自动重新发送该查询，这个过程可能会重复数次，只有当所有重试都失败后，系统才会向用户报告“DNS解析失败”的错误，偶尔的单个UDP包丢失只会造成微小的延迟，用户几乎无法察觉,不会直接导致网页无法访问。

Q2：现在流行的DNS over HTTPS (DoH) 是不是意味着DNS不再使用UDP了？

A： 不完全是，DoH是一种将DNS查询封装在HTTPS流量中的技术，其底层确实使用的是TCP协议（因为HTTPS是基于TCP的），当你的设备或浏览器配置为使用DoH服务器时，你的DNS查询确实是通过TCP传输的，这提供了更好的隐私性和安全性，这并不意味着UDP DNS被淘汰了，在互联网上，仍有海量的设备和服务器在进行传统的DNS解析，它们依然主要依赖UDP，可以说，DoH为DNS提供了一条新的、更安全的路径，但传统的UDP DNS路径在可预见的未来仍将继续作为互联网基础设施的重要组成部分而广泛存在,两者是并存和互补的关系。