Глава 2
Обнаружение адреса
DNS преобразует строки символов в IP-адреса. Часто неспециалистам, оперирующим «банальной эрудицией», этот процесс кажется тривиальным. Действительно, возьмите простую таблицу соответствий «домен – адрес» и работайте по ней – так они предлагают. Первые системы прото-DNS были устроены подобным образом. Но в масштабах глобальной сети это простое решение вполне предсказуемо оказывается неверным.
Например, соответствие IP-адресов и имен доменов изменяется. Для этого есть целый ряд причин: скажем, домен может сменить владельца, и новый администратор захочет настроить соответствие имен и адресов таким образом, чтобы домен указывал на его сетевой узел, а не на узел прежнего владельца домена. В маленькой локальной сети из десяти машин, содержащей два собственных домена, наверное, нет никаких проблем с тем, чтобы разослать измененную «таблицу соответствия» всем компьютерам. Но когда речь идет о сотнях миллионов доменов, помноженных на сотни миллионов компьютеров, разбросанных по всему земному шару, идея с рассылкой общей таблицы имен доменов оказывается, мягко говоря, абсурдной. А ведь нужно учитывать постоянный бурный рост Интернета. Так что реально работающая система DNS устроена не так просто.
Можно сказать, что IP-адресация формирует из множества узлов Интернета одноуровневую структуру. Узлы в ней соединяют разным образом проложенные линии связи.
По-научному только что упомянутая «плоская структура» Интернета со связями между узлами называется графом. Сами методы успешной и эффективной передачи данных между узлами глобальной Сети помогает разработать в том числе и такая математическая дисциплина, как теория графов. Графы как математическое понятие придумали задолго до появления Интернета – они служили удобным инструментом для исследования сетей электроснабжения.
DNS представляет собой иерархическую древовидную структуру, разбивающую одноуровневое множество узлов (или серверов) Интернета на отдельные районы – кластеры. Каждый такой кластер может состоять из многих тысяч серверов или включать в себя только один сервер. Кластеры способны пересекаться, то есть один и тот же узел-сервер может входить в несколько кластеров.
Как несложно догадаться, с каждым доменом связан единственный узел древовидной структуры DNS. В свою очередь, те серверы Интернета, которые попали в соответствующий узлу кластер, оказываются внутри данного домена. То есть в древовидной структуре DNS каждому узлу дерева соответствует один кластер узлов Интернета – это так называемая зона DNS. Можно сказать, что дерево DNS как бы добавляет адресной системе Интернета еще одно измерение. Ведь в иерархии доменных имен кластеры вкладываются друг в друга, образуя несколько уровней.
Деление дерева DNS по уровням (первый, второй, третий и т. д.) – важнейшая особенность всех отношений, возникающих вокруг доменов. Система доменных имен, как и всякое дерево, начинается с единственного корневого домена (это нулевой уровень). Правда, современная реализация работы с DNS на компьютерах пользователей позволяет не указывать корневой домен в адресной строке.
Благодаря этому про существование корневого домена сейчас помнят только специалисты. Адреса сайтов с использованием DNS записываются в виде последовательности, отражающей данную иерархию имен. Чем выше уровень домена, тем правее он записывается в строке адреса. Разделяются домены точками. Разберем, например, строку www.info.nic.ru. Здесь домен www – это домен четвертого уровня, а другие упомянутые в адресной строке домены расположены в домене первого уровня RU. Например, info.nic.ru – это домен третьего уровня. Очень важно понимать, что привычный адрес сайта, скажем, www.test.ru, обозначает домен третьего уровня (www), расположенный внутри домена второго уровня test.ru.
Адресная строка с указанием корневого домена выглядит, например, так: site.test.ru. – здесь корневой домен (он не обозначен никакими буквами) отделен последней, крайней справа точкой.
Работу DNS в масштабах всего Интернета обеспечивает распределенная система из многих серверов, образующих собственную иерархию. Каждый такой сервер имеет свою зону ответственности, то есть за ним закреплен некоторый участок адресного пространства DNS, где он определяет соответствие IP-адресов и доменных имен, а также другие параметры систем адресации и работы сервисов, находящихся в этой доменной зоне. Например, ответственный сервер (специалисты называют его авторитативным) определяет, на какой сервер приходит электронная почта, предназначенная для адресов в домене.
Основываясь на специальных правилах «доверия» и используя особые протоколы, серверы глобальной DNS обмениваются между собой информацией об изменениях в адресации. При этом изменения, конечно, не отражаются на всех участвующих в процессе серверах моментально – напротив, для распространения информации об изменениях в адресации для того или иного домена по всему Интернету может потребоваться несколько суток. Это одна из ключевых особенностей системы, которую постоянно приходится учитывать инженерам, обеспечивающим работу информационных ресурсов в Глобальной сети. Так, если настройки адресации в доменной зоне изменились, это не означает, что все пользователи сразу станут работать с новыми настройками. Напротив, некоторое время в глобальной системе будут действовать и новые, и старые настройки. Если изменился IP-адрес сайта, то пользователи будут некоторое время попадать на узел, размещенный под старым адресом.
Среди всех разнообразных серверов DNS есть самые важные – это корневые серверы системы, обеспечивающие работу DNS в целом. Таких серверов 13, данные адресации на этих серверах контролируются техническим центром, входящим в структуру корпорации ICANN, управляющей адресным пространством Интернета (подробнее об ICANN и о ее регулирующей роли рассказано в отдельной главе книги).
Работа корневых серверов имен DNS – ключевой аспект современного Интернета. Если вдруг корневые серверы разом остановятся, то через некоторое время для рядового пользователя весь Интернет просто «погаснет»: ведь обыватель не умеет работать с ресурсами Сети без использования доменных имен. Не станет привычного веба, не будет электронной почты – то есть случится катастрофа.
Как нетрудно догадаться, корневые серверы распространяют сведения об адресации, заданной для корневой доменной зоны (корневого домена). Благодаря древовидной структуре доменной системы имен сведения из корневой зоны определяют вид всего дерева. То есть в конечном итоге от этой зоны зависит доступность любого домена глобальной DNS.
Итак, корневых серверов 13. Существует весьма неплохое объяснение тому, почему выбрано именно это популярное и многозначительное число. Дело в том, что некоторые технические ограничения протокола, используемого для передачи ответов системы доменных имен, требуют, чтобы пакет данных с информацией об адресах всех корневых серверов умещался в 512 байтов (ремарка для тех, кто хочет изучить вопрос подробнее: речь идет об одном UDP-пакете). В эти байты удается поместить данные лишь о 13 серверах.
Когда говорят о 13 серверах, то имеют в виду логические серверы c именами следующего вида: a.root-servers.net,
b. root-servers.net и т. д. вплоть до m.root-servers.net (и, например, такие IPv4-адреса: 198.41.0.4, 192.228.79.201, 202.12.27.33 и др.). На деле за каждым из этих имен и адресов скрывается довольно сложная компьютерная система, включающая в себя не один физический компьютер. Более того, используя специальную технологию, люди научились распределять по всему миру узлы корневых серверов, оптимизируя таким образом работу с ними для пользователей из самых разных уголков Земли.
Таблица 1. Корневые серверы, административная и технологическая структуры по состоянию на 18 января 2014 года (http://root-servers.org/)
Примечание. Изучая таблицу, обратите внимание на то, что серверы имеют один или два адреса (при этом второй адрес – IPv6), а еще на то, что некоторые из них включают в себя несколько десятков узлов. Как же так? Ответ кроется в технологии Anycast, которая позволяет распределять трафик, адресованный конкретному IP-адресу, по многим физическим компьютерам, находящимся в разных сетях. Использование Anycast требует специальных настроек на уровне интернет-провайдеров и точек обмена трафиком, поэтому применяется только в особых случаях. Рис. 1. Скриншот карты Google с отмеченными корневыми серверами DNS
Рис. 1. На карте показано географическое размещение корневых серверов. Источник: http://www.root-servers.net
Таким образом, технически корневая зона глобальной DNS обслуживается децентрализованной системой из множества физических серверов, расположенных в различных странах мира и физически управляемых различными организациями. Такая система сложилась исторически в результате заключения соглашений между многими заинтересованными сторонами. Очевидно, тут есть масса преимуществ: децентрализованная (в плане компьютерного обеспечения), распределенная по земному шару система надежнее и гибче, она масштабируется с меньшими сложностями, она лучше реагирует на изменения нагрузки. Кроме того, считается, что децентрализованный подход делает Интернет более демократичным.
Однако не стоит спешить с выводами о том, что корневая зона DNS – это децентрализованная система, не имеющая центрального управления. На первый взгляд такое замечание кажется парадоксальным: ведь только что мы выяснили, что корневых серверов множество и они не только принадлежат разным компаниями, но и находятся в разных странах мира. Вся хитрость в том, что одно дело – серверы, физические компьютеры, и совсем другое – данные, которые на этих компьютерах находятся.
Для сохранения целостности системы имен корневые серверы должны содержать одинаковую информацию о корневой зоне. Это очень важный момент, политическая составляющая которого никак не меньше технической. Поэтому вся распределенная система корневых серверов DNS получает сведения о корневой зоне из единственного источника. Этим источником является специальный защищенный скрытый сервер, находящийся под управлением компании из США VeriSign. Все корневые серверы по расписанию копируют сведения об адресации со скрытого сервера-источника и без изменений (это строго оговорено) передают данную информацию ее потребителям в Интернете.
Другими словами, корневые серверы являются распределенной и децентрализованной компьютерной системой, но это лишь транспорт, механизм доставки. Корневая зона DNS ими ретранслируется из единого центрального источника. Поэтому расхожее мнение о децентрализованной и никем в одиночку не управляемой DNS, которое часто можно встретить в интернетовских форумах, в корне неверно.
Ключевую роль в системе имен Интернета играют также серверы доменов первого уровня (например, RU), обеспечивающие распространение по всей Сети DNS– информации о домене, находящемся в их зоне ответственности.
Все хитрые технологические решения в построении практически работающей DNS направлены на то, чтобы каждый из сотен миллионов разбросанных по всему миру компьютеров, подключенных к Интернету, имел возможность корректного преобразования адресов.
Важно понимать, что все серверы DNS делятся на два типа согласно основной роли, которую они играют. Одни отвечают за хранение и распространение информации о вверенном им домене в глобальной Сети, другие – за поиск информации о том или ином адресе DNS. Иногда обе роли могут быть объединены в одном физическом сервере, но использовать такую конфигурацию не рекомендуется.
Серверы, выполняющие поиск информации в DNS, призваны отвечать на запросы своих клиентов о тех или иных адресах. Ответы они ищут, опрашивая другие серверы DNS. То есть в рамках обеспечения работы сервиса доменных имен различные DNS-серверы обмениваются между собой информацией.
Серверы, опрашивающие DNS в поисках нужных адресов, называются рекурсивными резолверами (от англ. resolve – решать, решение, резолюция), или просто резолверами (также иногда используются термины «сопоставитель» и «рекурсор»).
С точки зрения пользователя и в сильно упрощенном виде алгоритм работы DNS-резолвера по поиску адресов сайтов можно описать следующим образом. Когда пользователь вводит в адресной строке браузера адрес сайта, например hat.nic.ru, компьютер выполняет запрос к тому или иному известному ему DNS-резолверу, спрашивая этот сервер о том, какой IP-адрес связан с «доменным адресом», указанным пользователем. В ответ сервер-резолвер DNS, проверив соответствие по своим внутренним таблицам или выполнив запрос к другим серверам, присылает искомый IP-адрес. Далее браузер устанавливает соединение с сайтом уже по IP-адресу.
По отношению к другим серверам DNS-резолвер выступает клиентом, так как отправляет запросы, на которые они отвечают с теми или иными данными. У резолвера есть и свои клиенты, для них он – сервер. Это операционные системы на компьютерах, обслуживаемых данным резолвером. Например, в сети интернет-провайдера обязательно существует резолвер, обслуживающий его клиентов. Традиционно им является сервер, доступный изнутри сети по известному IP-адресу.
В ряде случаев работа DNS-резолвера, пытающегося выяснить IP-адрес, соответствующий заданному имени домена, начинается с запроса к одному из корневых серверов. Корневой сервер, конечно, не знает ответа для каждого из имен, существующих в Интернете, однако он может сообщить клиенту адреса тех серверов, которые располагают информацией об искомом имени, – и клиент обратится к следующим серверам с тем же запросом. В этом и состоит рекурсия. Ниже мы разберем процесс подробно.
Попробуем проследить за запросами на простом примере. Предположим, что требуется определить IP-адрес, соответствующий домену www.nic.ru.
Сразу нужно обговорить пару важных моментов. Во– первых, резолвер, занимающийся поиском имен, – это обычно специальная программа, работающая на том или ином компьютере. Как мы разобрались, резолвер обрабатывает запросы вида «А какой адрес у www.nic. ru?», поступающие от других программ и компьютеров. Резолвер может быть и локальным, то есть работающим на том же компьютере, где, например, запущен браузер. Во-вторых, наиболее важные из резолверов (кэширующие DNS-серверы) обслуживают множество разных запросов и имеют собственный кэш адресов (особую память), в котором в течение определенного времени сохраняются ранее полученные из DNS сведения об адресации внутри доменов. Наличие такого кэширования – важнейшая особенность DNS, делающая эту систему распределенной и устойчивой к большим нагрузкам.
Вернемся к нашему примеру: получив запрос о www. nic.ru резолвер прежде всего проверит свой кэш; если там не удастся найти ответа на вопрос об адресе узла с именем www.nic.ru, то рекурсивный резолвер начнет опрос глобальной DNS с запроса к одному из корневых серверов. Конечно, корневой сервер не знает ответа на вопрос о www.nic.ru, но он сообщит резолверу адреса тех серверов, которые отвечают за доменную зону .ru, благо они содержатся в корневой доменной зоне. Серверы .ru в свою очередь отправят резолвер к серверам, отвечающим за .nic.ru, и те наконец ответят о www.nic.ru, то есть об адресе узла, соответствующего домену третьего уровня www.nic.ru. Вот так рекурсивно работает DNS.
Надо заметить, что сейчас на подавляющем большинстве пользовательских компьютеров используются так называемые глупые (dumb или stub в англоязычной литературе) или, если выразиться более корректно, «простые» резолверы, которые не умеют выполнять сложные рекурсивные DNS-запросы, требующие обхода множества серверов имен. Они целиком полагаются на тот или иной известный им «умный» резолвер – кэширующий сервер DNS, – просто передавая свои запросы ему. Традиционно это сервер интернет-провайдера, обеспечивающего доступ к Сети. В такой конфигурации запросы к корневым серверам, а равно и к серверам, отвечающим за другие доменные зоны, выполняет сервер провайдера, делая за «глупого» всю сложную работу.
Беглое ознакомление с устройством глобальной DNS наводит на следующий вопрос: откуда только что подключенный к Интернету компьютер может узнать адреса корневых серверов? Обычно они задаются в специальных файлах, распространяемых в составе дистрибутивов операционных систем. А компьютер, программное обеспечение которого использует простой, «глупый» ре-золвер, может начать работать с глобальной DNS после того, как получит IP-адрес того или иного DNS-сервера. Этот IP-адрес указывается при начальной настройке операционной системы или при настройке сетевого соединения.
Здесь важно запомнить следующее: адреса корневых серверов требуются для работы полноценного рекурсивного резолвера, такой резолвер предоставляет интернет-провайдер (или другой сервис-провайдер); «глупый» резолвер, являющийся стандартным для большинства пользовательских компьютеров, нуждается в адресе хотя бы одного полноценного рекурсивного резолвера, которому он будет переправлять поступающие запросы.
Существуют автоматические методы настройки адресов DNS для пользовательских компьютеров, подключенных к локальной сети. Их подробное рассмотрение выходит за рамки книги. Ключевой момент тут простой: базовые адреса для работы DNS жестко задаются извне, но при этом никто не может помешать сделать нестандартные настройки, то есть, например, использовать какие-то другие корневые серверы. Именно здесь и коренится основа доменных войн (или так называемых войн DNS, приведших в конце 1990-х годов к серьезным изменениям в политике управления Сетью). Подробнее об этой основе и ее историческом значении рассказывается в главе 3.
Другой особенностью корневых серверов глобальной DNS является то, что изменение их IP-адресов (напомню, что именно по этим адресам компьютеры в Сети находят друг друга) – очень большая проблема. Действительно, использовать DNS для первичного поиска адресов корневых серверов не получится, так как именно с обращения к ним начинается работа с самой DNS. Сохраненные в исходных настройках той или иной операционной системы компьютера IP-адреса корневых серверов очень сложно будет поддерживать в актуальном состоянии, если они начнут часто изменяться.
Посудите сами: разнообразных классов/типов/линеек/ версий операционных систем в лучшем случае насчитываются как минимум сотни. Дистрибутивы (наборы файлов, служащие для установки операционной системы на компьютер) также бывают самыми разными и сохраняются в неизменном состоянии годами. Что уж говорить про уже настроенное программное обеспечение – оно также не всегда обновляется, а если и обновляется, то далеко не оперативно. В итоге получается, что изменить IP-адрес корневого сервера не так трудно, но вот отследить и скорректировать все директивные упоминания старого адреса – задача чрезвычайной сложности. Если такое произойдет, многие компьютеры продолжат обращаться по старому адресу корневого сервера и не смогут получить ответ. Впрочем, так как серверов несколько, возможна постепенная «миграция» адресов: не сумев установить соединение с одним из корневых серверов, компьютер, пытающийся работать с DNS, соединится с другим корневым сервером, адрес которого не изменялся, и получит возможность определить актуальные адреса всех 13, уже задействовав DNS.
На практике, однако, после изменения IP-адресов некоторых корневых серверов запросы по старым адресам продолжали фиксироваться еще долгие годы после «переезда». Эта особенность только подтверждает факт, что DNS в глобальном плане требует очень непростого управления и весьма чувствительна к изменениям. Одно неловкое движение – и случится неприятность: Интернет для всех рядовых пользователей «погаснет».
С DNS связано множество проблем безопасности, актуальных как для клиентских компьютеров, так и для всей Глобальной сети в целом. Например, особо продвинутые хакеры могут проводить атаки на серверы DNS с целью их перегрузки, вызывающей отказы в обслуживании. Подмена адресов в DNS может приводить к тому, что пользователи, набирающие в адресной строке привычное имя домена, ранее привязанного к одному сайту, будут соединяться с совсем другим сервером, например с сервером злоумышленников, представляющим собой поддельный интернет-магазин, собирающий данные о кредитных картах посетителей.
Проблемы безопасности в DNS в основном связаны с тем, что, когда эта система создавалась в 1980-х годах, Интернет был другим – в нем все друг друга знали. Так что во время становления Глобальной сети не задумывались об атаках, оказавшихся возможными теперь. Важную роль сыграл и тот факт, что на базе вычислительных мощностей, типичных для компьютерного коммуникационного оборудования конца 70-х годов прошлого века, просто невозможно было реализовать DNS, защищенную от недобросовестных участников, – такая система обошлась бы слишком дорого.
Система DNS активно развивается и, очевидно, продолжит оставаться ключевым элементом Интернета еще долгие годы. Несомненно, сохранится и ее определяющая роль в привычных механизмах адресации.
Сейчас в результате исторического развития к услугам рядового пользователя Глобальной сети имеются три механизма перехода к сетевому ресурсу: можно набрать адрес сайта в адресной строке браузера; можно перейти на тот или иной сайт с помощью поисковой машины, кликнув по ссылке на странице результатов поиска документов в Интернете; можно перейти по ссылке с одного сайта на другой.
На практике в современном Интернете все эти три механизма базируются на DNS и доменных именах.
Меняются технологии публикации информации в Сети, развивается веб, появляются новые средства разработки, позволяющие создавать все более оригинальные сайты. Но пока ни одна из технологий не смогла предложить каких-то новых механизмов адресации, столь же удобных пользователю, как система доменных имен, и способных ее потеснить.