作者：翟贺龙
在计算机领域，涉及性能优化动作时首先应被考虑的原则之一便是使用缓存，合理的数据缓存机制能够带来以下收益：
从 CPU 硬件的多级缓存设计，到浏览器快速展示页面，再到大行其道的 CDN、云存储网关等商业产品，处处应用了缓存理念。
在公网领域，如操作系统、浏览器和移动端 APP 等成熟产品所具备的缓存机制，极大的消解了网络提供商如电信移动联通、内容提供商如各大门户平台和 CDN 厂商直面的服务压力，运营商的 DNS 才能从容面对每秒亿万级的 DNS 解析，网络设备集群才能轻松承担每秒 Tbit 级的互联网带宽，CDN 平台才能快速处理每秒亿万次的请求。
面对公司目前庞大且仍在不断增长的的域名接入规模，笔者所在团队在不断优化集群架构、提升 DNS 软件性能的同时，也迫切需要推动各类客户端环境进行域名解析请求机制的优化，因此，特组织团队成员调研、编写了这篇指南文章，以期为公司、客户及合作方的前端开发运维人员给出合理建议，优化 DNS 整体请求流程，为业务增效。
本文主要围绕不同业务和开发语言背景下，客户端本地如何实现 DNS 解析记录缓存进行探讨，同时基于笔者所在团队对 DNS 本身及公司网络环境的掌握，给出一些其他措施，最终致力于客户端一侧的 DNS 解析请求规范化。
本文所述客户端，泛指所有主动发起网络请求的对象，包括但不限于服务器、PC、移动终端、操作系统、命令行工具、脚本、服务软件、用户 APP 等。
Domain Name System(Server/Service)，域名系统（服务器/服务），可理解为一种类数据库服务；
客户端同服务端进行网络通信，是靠 IP 地址识别对方；而作为客户端的使用者，人类很难记住大量 IP 地址，所以发明了易于记忆的域名如 www.jd.com，将域名和 IP 地址的映射关系，存储到 DNS 可供客户端查询；
客户端只有通过向 DNS 发起域名解析请求从而获取到服务端的 IP 地址后，才能向 IP 地址发起网络通信请求，真正获取到域名所承载的服务或内容。
Local DNS，本地域名服务器；公网接入环境通常由所在网络供应商自动分配（供应商有控制权，甚至可作 DNS 劫持，即篡改解析域名得到的 IP），内网环境由 IT 部门设置自动分配；
通常 Unix、类Unix、MacOS系统可通过 /etc/resolv.conf 查看自己的 LDNS，在 nameserver 后声明，该文件亦支持用户自助编辑修改，从而指定 LDNS，如公网常见的公共 DNS 如谷歌 DNS、114DNS 等；纯内网环境通常不建议未咨询IT部门的情况下擅自修改，可能导致服务不可用；可参考 man resolv.conf 指令结果。
当域名解析出现异常时，同样应考虑 LDNS 服务异常或发生解析劫持情况的可能。
DNS 系统可以动态的提供域名和IP的映射关系，普遍存在于各类操作系统的hosts文件则是域名和IP映射关系的静态记录文件，且通常 hosts 记录优先于 DNS 解析，即本地无缓存或缓存未命中时，则优先通过 hosts 查询对应域名记录，若 hosts 无相关映射，则继续发起 DNS 请求。关于 Linux 环境下此逻辑的控制，请参考下文 C/C++ 语言 DNS 缓存介绍部分。
所以在实际工作中，常利用上述默认特性，将特定域名和特定 IP 映射关系写到 hosts 文件中（俗称“固定 hosts”），用于绕开 DNS 解析过程，对目标 IP 作针对性访问（其效果与 curl 的-x选项，或 wget 的 -e 指定 proxy 选项，异曲同工）；
Time-To-Live，生存时间值，此概念在多领域适用且可能有不同意义。
本文涉及到 TTL 描述均针对数据缓存而言，可直白理解为已缓存数据的“有效期”，从数据被缓存开始计，在缓存中存在时长超过 TTL 规定时长的数据被视为过期数据，数据被再次调用时会立刻同权威数据源进行有效性确认或重新获取。
因缓存机制通常是被动触发和更新，故在客户端的缓存有效期内，后端原始权威数据若发生变更，客户端不会感知，表现为业务上一定程度的数据更新延迟、缓存数据与权威数据短时不一致。
对于客户端侧 DNS 记录的缓存 TTL，我们建议值为 60s；同时如果是低敏感度业务比如测试、或域名解析调整不频繁的业务，可适当延长，甚至达到小时或天级别；
以下调研结果，推荐开发人员参考，以实现自研客户端 DNS 缓存。各开发语言对 DNS 缓存支持可能不一样，在此逐个分析一下。
Linux环境下的 glibc 库提供两个域名解析的函数：gethostbyname 函数和 getaddrinfo 函数，gethostbyname 是曾经常用的函数，但是随着向 IPv6 和线程化编程模型的转移，getaddrinfo 显得更有用，因为它既解析 IPv6 地址，又符合线程安全，推荐使用 getaddrinfo 函数。
函数原型：
int getaddrinfo( const char *node,
const char *service,
const struct addrinfo *hints,
struct addrinfo **res);getaddrinfo 函数是比较底层的基础库函数，很多开发语言的域名解析函数都依赖这个函数，因此我们在此介绍一下这个函数的处理逻辑。通过 strace 命令跟踪这个函数系统调用。
1）查找 nscd 缓存（nscd 介绍见后文）
我们在 linux 环境下通过 strace 命令可以看到如下的系统调用
//连接nscd
socket(PF_LOCAL, SOCK_STREAM|SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK, 0) = 3
connect(3, {sa_family=AF_LOCAL, sun_path="/var/run/nscd/socket"}, 110) = -1 ENOENT (No such file or directory)
close(3)
通过 unix socket 接口"/var/run/nscd/socket"连接nscd服务查询DNS缓存。
2）查询 /etc/hosts 文件
如果nscd服务未启动或缓存未命中，继续查询hosts文件，我们应该可以看到如下的系统调用
//读取 hosts 文件
open("/etc/host.conf", O_RDONLY) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=9, ...}) = 0
...
open("/etc/hosts", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fcntl(3, F_GETFD) = 0x1 (flags FD_CLOEXEC)
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=178, ...}) = 03）查询 DNS 服务
从 /etc/resolv.conf 配置中查询到 DNS 服务器（nameserver）的IP地址，然后做 DNS 查询获取解析结果。我们可以看到如下系统调用
//获取 resolv.conf 中 DNS 服务 IP
open("/etc/resolv.conf", O_RDONLY) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=25, ...}) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fef2abee000
read(3, "nameserver 114.114.114.114\n\n", 4096) = 25
...
//连到 DNS 服务，开始 DNS 查询
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("114.114.114.114")}, 16) = 0
poll([{fd=3, events=POLLOUT}], 1, 0) = 1 ([{fd=3, revents=POLLOUT}])而关于客户端是优先查找 /etc/hosts 文件，还是优先从 /etc/resolv.conf 中获取 DNS 服务器作查询解析，是由 /etc/nsswitch.conf 控制：
#/etc/nsswitch.conf 部分配置
...
#hosts: db files nisplus nis dns
hosts: files dns
...实际通过 strace 命令可以看到，系统调用 nscd socket 之后，读取 /etc/resolv.conf 之前，会读取该文件
newfstatat(AT_FDCWD, "/etc/nsswitch.conf", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=510, ...}, 0) = 0
...
openat(AT_FDCWD, "/etc/nsswitch.conf", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 34）验证
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int gethostaddr(char * name);
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 2)
{
fprintf(stderr, "%s $host", argv[0]);
return -1;
}
int i = 0;
for(i = 0; i < 5; i++)
{
int ret = -1;
ret = gethostaddr(argv[1]);
if (ret < 0)
{
fprintf(stderr, "%s $host", argv[0]);
return -1;
}
//sleep(5);
}
return 0;
}
int gethostaddr(char* name)
{
struct addrinfo hints;
struct addrinfo *result;
struct addrinfo *curr;
int ret = -1;
char ipstr[INET_ADDRSTRLEN];
struct sockaddr_in *ipv4;
memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
hints.ai_family = AF_INET;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
ret = getaddrinfo(name, NULL, &hints, &result);
if (ret != 0)
{
fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(ret));
return ret;
}
for (curr = result; curr != NULL; curr = curr->ai_next)
{
ipv4 = (struct sockaddr_in *)curr->ai_addr;
inet_ntop(curr->ai_family, &ipv4->sin_addr, ipstr, INET_ADDRSTRLEN);
printf("ipaddr:%s\n", ipstr);
}
freeaddrinfo(result);
return 0;
}综上分析，getaddrinfo 函数结合 nscd ，是可以实现 DNS 缓存的。
libcurl 库是 c/c++ 语言下，客户端比较常用的网络传输库，curl 命令就是基于这个库实现。这个库也是调用 getaddrinfo 库函数实现 DNS 域名解析，也是支持 nscd DNS 缓存的。
int
Curl_getaddrinfo_ex(const char *nodename,
const char *servname,
const struct addrinfo *hints,
Curl_addrinfo **result)
{
...
error = getaddrinfo(nodename, servname, hints, &aihead);
if(error)
return error;
...
}
Java 语言是很多公司业务系统开发的主要语言，通过编写简单的 HTTP 客户端程序测试验证 Java 的网络库是否支持 DNS 缓存。测试验证了 Java 标准库中 HttpURLConnection 和 Apache httpcomponents-client 这两个组件。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;
public class HttpUrlConnectionDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String urlString = "http://example.my.com/";
int num = 0;
while (num < 5) {
URL url = new URL(urlString);
HttpURLConnection conn = (HttpURLConnection) url.openConnection();
conn.setRequestMethod("GET");
conn.setDoOutput(true);
OutputStream os = conn.getOutputStream();
os.flush();
os.close();
if (conn.getResponseCode() == HttpURLConnection.HTTP_OK) {
InputStream is = conn.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
StringBuilder sb = new StringBuilder();
String line;
while ((line = reader.readLine()) != null) {
sb.append(line);
}
System.out.println("rsp:" + sb.toString());
} else {
System.out.println("rsp code:" + conn.getResponseCode());
}
num++;
}
}
}测试结果显示 Java 标准库 HttpURLConnection 是支持 DNS 缓存，5 次请求中只有一次 DNS 请求。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import org.apache.hc.client5.http.classic.methods.HttpGet;
import org.apache.hc.client5.http.entity.UrlEncodedFormEntity;
import org.apache.hc.client5.http.impl.classic.CloseableHttpClient;
import org.apache.hc.client5.http.impl.classic.CloseableHttpResponse;
import org.apache.hc.client5.http.impl.classic.HttpClients;
import org.apache.hc.core5.http.HttpEntity;
import org.apache.hc.core5.http.NameValuePair;
import org.apache.hc.core5.http.io.entity.EntityUtils;
import org.apache.hc.core5.http.message.BasicNameValuePair;
public class QuickStart {
public static void main(final String[] args) throws Exception {
int num = 0;
while (num < 5) {
try (final CloseableHttpClient httpclient = HttpClients.createDefault()) {
final HttpGet httpGet = new HttpGet("http://example.my.com/");
try (final CloseableHttpResponse response1 = httpclient.execute(httpGet)) {
System.out.println(response1.getCode() + " " + response1.getReasonPhrase());
final HttpEntity entity1 = response1.getEntity();
EntityUtils.consume(entity1);
}
}
num++;
}
}
}测试结果显示 Apache httpcomponents-client 支持 DNS 缓存，5 次请求中只有一次 DNS 请求。
从测试中发现 Java 的虚拟机实现一套 DNS 缓存，即实现在 java.net.InetAddress 的一个简单的 DNS 缓存机制，默认为缓存 30 秒，可以通过 networkaddress.cache.ttl 修改默认值，缓存范围为 JVM 虚拟机进程，也就是说同一个 JVM 进程中，30秒内一个域名只会请求DNS服务器一次。同时 Java 也是支持 nscd 的 DNS 缓存，估计底层调用 getaddrinfo 函数，并且 nscd 的缓存级别比 Java 虚拟机的 DNS 缓存高。
# 默认缓存 ttl 在 jre/lib/security/java.security 修改，其中 0 是不缓存，-1 是永久缓存
networkaddress.cache.ttl=10
# 这个参数 sun.net.inetaddr.ttl 是以前默认值，目前已经被 networkaddress.cache.ttl 取代
随着云原生技术的发展，Go 语言逐渐成为云原生的第一语言，很有必要验证一下 Go 的标准库是否支持 DNS 缓存。通过我们测试验证发现 Go 的标准库 net.http 是不支持 DNS 缓存，也是不支持 nscd 缓存，应该是没有调用 glibc 的库函数，也没有实现类似 getaddrinfo 函数的功能。这个跟 Go语言的自举有关系，Go 从 1.5 开始就基本全部由 Go(.go) 和汇编 (.s) 文件写成的，以前版本的 C(.c) 文件被全部重写。不过有一些第三方 Go 版本 DNS 缓存库，可以自己在应用层实现，还可以使用 fasthttp 库的 httpclient。
package main
import (
"flag"
"fmt"
"io/ioutil"
"net/http"
"time"
)
var httpUrl string
func main() {
flag.StringVar(&httpUrl, "url", "", "url")
flag.Parse()
getUrl := fmt.Sprintf("http://%s/", httpUrl)
fmt.Printf("url: %s\n", getUrl)
for i := 0; i < 5; i++ {
_, buf, err := httpGet(getUrl)
if err != nil {
fmt.Printf("err: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("resp: %s\n", string(buf))
time.Sleep(10 * time.Second) # 等待10s发起另一个请求
}
}
func httpGet(url string) (int, []byte, error) {
client := createHTTPCli()
resp, err := client.Get(url)
if err != nil {
return -1, nil, fmt.Errorf("%s err [%v]", url, err)
}
defer resp.Body.Close()
buf, err := ioutil.ReadAll(resp.Body)
if err != nil {
return resp.StatusCode, buf, err
}
return resp.StatusCode, buf, nil
}
func createHTTPCli() *http.Client {
readWriteTimeout := time.Duration(30) * time.Second
tr := &http.Transport{
DisableKeepAlives: true, //设置短连接
IdleConnTimeout: readWriteTimeout,
}
client := &http.Client{
Timeout: readWriteTimeout,
Transport: tr,
}
return client
}从测试结果来看，net.http 每次都去 DNS 查询，不支持 DNS 缓存。
fasthttp 库是 Go 版本高性能 HTTP 库，通过极致的性能优化，性能是标准库 net.http 的 10 倍，其中一项优化就是支持 DNS 缓存，我们可以从其源码看到
//主要在fasthttp/tcpdialer.go中
type TCPDialer struct {
...
// This may be used to override DNS resolving policy, like this:
// var dialer = &fasthttp.TCPDialer{
// Resolver: &net.Resolver{
// PreferGo: true,
// StrictErrors: false,
// Dial: func (ctx context.Context, network, address string) (net.Conn, error) {
// d := net.Dialer{}
// return d.DialContext(ctx, "udp", "8.8.8.8:53")
// },
// },
// }
Resolver Resolver
// DNSCacheDuration may be used to override the default DNS cache duration (DefaultDNSCacheDuration)
DNSCacheDuration time.Duration
...
}可以参考如下方法使用 fasthttp client 端
func main() {
// You may read the timeouts from some config
readTimeout, _ := time.ParseDuration("500ms")
writeTimeout, _ := time.ParseDuration("500ms")
maxIdleConnDuration, _ := time.ParseDuration("1h")
client = &fasthttp.Client{
ReadTimeout: readTimeout,
WriteTimeout: writeTimeout,
MaxIdleConnDuration: maxIdleConnDuration,
NoDefaultUserAgentHeader: true, // Don't send: User-Agent: fasthttp
DisableHeaderNamesNormalizing: true, // If you set the case on your headers correctly you can enable this
DisablePathNormalizing: true,
// increase DNS cache time to an hour instead of default minute
Dial: (&fasthttp.TCPDialer{
Concurrency: 4096,
DNSCacheDuration: time.Hour,
}).Dial,
}
sendGetRequest()
sendPostRequest()
}这个是 github 中的一个 Go 版本 DNS 缓存库
可以参考如下代码，在HTTP库中支持DNS缓存
r := &dnscache.Resolver{}
t := &http.Transport{
DialContext: func(ctx context.Context, network string, addr string) (conn net.Conn, err error) {
host, port, err := net.SplitHostPort(addr)
if err != nil {
return nil, err
}
ips, err := r.LookupHost(ctx, host)
if err != nil {
return nil, err
}
for _, ip := range ips {
var dialer net.Dialer
conn, err = dialer.DialContext(ctx, network, net.JoinHostPort(ip, port))
if err == nil {
break
}
}
return
},
}#!/bin/python
import requests
url = 'http://example.my.com/'
num = 0
while num < 5:
headers={"Connection":"close"} # 开启短连接
r = requests.get(url,headers = headers)
print(r.text)
num +=1#!/usr/bin/env python
import httplib2
http = httplib2.Http()
url = 'http://example.my.com/'
num = 0
while num < 5:
loginHeaders={
'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 5.1) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Maxthon/4.0 Chrome/30.0.1599.101 Safari/537.36',
'Connection': 'close' # 开启短连接
}
response, content = http.request(url, 'GET', headers=loginHeaders)
print(response)
print(content)
num +=1#!/bin/python
import urllib2
import cookielib
httpHandler = urllib2.HTTPHandler(debuglevel=1)
httpsHandler = urllib2.HTTPSHandler(debuglevel=1)
opener = urllib2.build_opener(httpHandler, httpsHandler)
urllib2.install_opener(opener)
loginHeaders={
'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 5.1) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Maxthon/4.0 Chrome/30.0.1599.101 Safari/537.36',
'Connection': 'close' # 开启短连接
}
num = 0
while num < 5:
request=urllib2.Request('http://example.my.com/',headers=loginHeaders)
response = urllib2.urlopen(request)
page=''
page= response.read()
print response.info()
print page
num +=1
Python 测试三种库都是支持 nscd 的 DNS 缓存的(推测底层也是调用 getaddrinfo 函数)，以上测试时使用 HTTP 短连接，都在 python2 环境测试。
针对 HTTP 客户端来说，可以优先开启 HTTP 的 keep-alive 模式，可以复用 TCP 连接，这样可以减少 TCP 握手耗时和重复请求域名解析，然后再开启 nscd 缓存，除了 Go 外，C/C++、Java、Python 都可支持 DNS 缓存，减少 DNS查询耗时。
这里只分析了常用 C/C++、Java、Go、Python 语言，欢迎熟悉其他语言的小伙伴补充。
在由于某些特殊原因，自研或非自研客户端本身无法提供 DNS 缓存支持的情况下，建议管理人员在其所在系统环境中部署DNS缓存程序；
现介绍 Unix/类 Unix 系统适用的几款常见轻量级 DNS 缓存程序。而多数桌面操作系统如 Windows、MacOS 和几乎所有 Web 浏览器均自带 DNS 缓存功能，本文不再赘述。
P.S. DNS 缓存服务请务必确保随系统开机启动；
name service cache daemon 即装即用，通常为 linux 系统默认安装，相关介绍可参考其 manpage：man nscd；man nscd.conf
（1）安装方法：通过系统自带软件包管理程序安装，如 yum install nscd
（2）缓存管理（清除）：
service nscd restart 重启服务清除所有缓存；
nscd -i hosts 清除 hosts 表中的域名缓存（hosts 为域名缓存使用的 table 名称，nscd 有多个缓存 table，可参考程序相关 manpage）
较为轻量，可选择其作为 nscd 替代，通常需单独安装
（1）安装方法：通过系统自带软件包管理程序安装，如 yum install dnsmasq
（2）核心文件介绍（基于 Dnsmasq version 2.86，较低版本略有差异，请参考对应版本文档如 manpage 等）
（3）/etc/default/dnsmasq 提供六个变量定义以支持六种控制类功能
（4）/etc/dnsmasq.d/ 此目录含 README 文件，可参考；目录内可以存放自定义配置文件
（5）/etc/dnsmasq.conf 主配置文件，如仅配置 dnsmasq 作为缓存程序，可参考以下配置
listen-address=127.0.0.1 #程序监听地址，务必指定本机内网或回环地址，避免暴露到公网环境
port=53 #监听端口
resolv-file=/etc/dnsmasq.d/resolv.conf #配置dnsmasq向自定义文件内的 nameserver 转发 dns 解析请求
cache-size=150 #缓存记录条数，默认 150 条，可按需调整、适当增大
no-negcache #不缓存解析失败的记录，主要是 NXDOMAIN，即域名不存在
log-queries=extra #开启日志记录，指定“=extra”则记录更详细信息，可仅在问题排查时开启，平时关闭
log-facility=/var/log/dnsmasq.log #指定日志文件
#同时需要将本机 /etc/resolv.conf 第一个 nameserver 指定为上述监听地址，这样本机系统的 dns 查询请求才会通过 dnsmasq 代为转发并缓存响应结果。
#另 /etc/resolv.conf 务必额外配置 2 个 nameserver，以便 dnsmasq 服务异常时支持系统自动重试，注意 resolv.conf 仅读取前 3 个 nameserver（6）缓存管理（清除）：
kill -s HUP `pidof dnsmasq` 推荐方式，无需重启服务
kill -s TERM `pidof dnsmasq` 或 service dnsmasq stop
service dnsmasq force-reload 或 service dnsmasq restart
（7）官方文档：https://thekelleys.org.uk/dnsmasq/doc.html
以 linux 操作系统为例，常用的网络请求命令行工具常常通过调用 getaddrinfo() 完成域名解析过程，如 ping、telnet、curl、wget 等，但其可能出于通用性的考虑，均被设计为对同一个域名每次解析会发起两个请求，分别查询域名 A 记录（即 IPV4 地址）和 AAAA 记录（即 IPV6 地址）。
因目前大部分公司的内网环境及云上内网环境还未使用 ipv6 网络，故通常 DNS 系统不为内网域名添加 AAAA 记录，徒劳请求域名的 AAAA 记录会造成前端应用和后端 DNS 服务不必要的资源开销。因此，仅需请求内网域名的业务，如决定自研客户端，建议开发人员视实际情况，可将其设计为仅请求内网域名 A 记录，尤其当因故无法实施本地缓存机制时。
客户端需严格规范域名/主机名的处理逻辑，避免产生大量对不存在域名的解析请求（确保域名从权威渠道获取，避免故意或意外使用随机构造的域名、主机名），因此类请求的返回结果（NXDOMAIN）通常不被缓存或缓存时长较短，且会触发客户端重试，对后端 DNS 系统造成一定影响。
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