Rust 實作 DNS 解析器：解析網域名稱至 IP 地址

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使用 Rust 的 trust-dns 函式庫，我們可以建立一個 DNS 解析器，將網域名稱轉換為 IP 地址。解析過程包含建立 TCP 連線、傳送 DNS 查詢訊息，以及接收和解析伺服器的回應。過程中需考量錯誤處理，例如網路連線失敗或網域名稱不存在的情況。程式碼中使用 Query 結構體定義查詢引數，包括網域名稱和記錄型別（A 記錄或 AAAA 記錄）。解析結果包含 IP 地址（IPv4 或 IPv6），並需處理潛在的錯誤，例如網域名稱解析失敗。

透過 TCP 連線與 DNS 伺服器互動，傳送 DNS 查詢並接收回應。回應中可能包含多個 IP 地址，需要根據需求選擇使用哪個地址。trust-dns 函式庫提供了便捷的 API，簡化了 DNS 查詢的過程，並支援 IPv4 和 IPv6 地址解析。

TCP連線的建立

首先，我們需要建立一個TCP連線。這可以透過TcpStream::connect方法實作，該方法需要指定要連線的主機（host）和埠號（port）。

use std::io::prelude::*;
use std::net::TcpStream;

fn main() -> std::io::Result<()> {
    let mut conn = TcpStream::connect("example.com:80")?;
    //...
}

HTTP請求的傳送

建立連線後，我們可以傳送HTTP請求。HTTP請求通常由三部分組成：請求行、頭部欄位和請求體。在這個範例中，我們傳送一個簡單的GET請求。

conn.write_all(b"GET / HTTP/1.0")?;
conn.write_all(b"\r\n")?;
conn.write_all(b"\r\n\r\n")?;

回應的接收和處理

傳送請求後，伺服器會回傳一個回應。這個回應包含了伺服器的狀態、頭部欄位和實際的資料。為了接收和處理這個回應，我們可以使用std::io::copy方法，將從TCP連線接收到的資料直接複製到標準輸出（stdout）。

std::io::copy(&mut conn, &mut std::io::stdout())?;

完整程式碼

以下是完整的程式碼範例：

use std::io::prelude::*;
use std::net::TcpStream;

fn main() -> std::io::Result<()> {
    let mut conn = TcpStream::connect("example.com:80")?;
    conn.write_all(b"GET / HTTP/1.0")?;
    conn.write_all(b"\r\n")?;
    conn.write_all(b"\r\n\r\n")?;
    std::io::copy(&mut conn, &mut std::io::stdout())?;
    Ok(())
}

網路基礎：HTTP請求和DNS解析

在網路通訊中，HTTP（超文字傳輸協定）是一種常用的協定，用於在網際網路上傳輸資料。要傳送HTTP請求，需要了解一些基本概念，包括HTTP版本、連線建立和請求格式。

HTTP請求格式

HTTP請求由幾個部分組成，包括請求行、標頭和主體。請求行指定了請求的方法（如GET、POST等）、請求的URI和HTTP版本。標頭提供了額外的資訊，例如主機名稱、使用者代理等。主體則包含了請求的內容。

以下是HTTP GET請求的範例：

GET /path/to/resource HTTP/1.0
Host: example.com

在這個範例中，GET是請求方法，/path/to/resource是請求的URI，HTTP/1.0是HTTP版本，Host標頭指定了主機名稱。

連線建立

在傳送HTTP請求之前，需要建立一個連線到伺服器的連線。這通常是透過TCP（傳輸控制協定）完成的。TCP是一種可靠的、導向連線的協定，確保資料的傳輸是可靠的。

以下是使用Rust語言建立TCP連線並傳送HTTP請求的範例：

use std::io::{Read, Write};
use std::net::TcpStream;

fn main() {
    let mut stream = TcpStream::connect("example.com:80").unwrap();
    let request = "GET /path/to/resource HTTP/1.0\r\nHost: example.com\r\n\r\n";
    stream.write_all(request.as_bytes()).unwrap();
    let mut response = String::new();
    stream.read_to_string(&mut response).unwrap();
    println!("{}", response);
}

在這個範例中，TcpStream::connect方法用於建立一個連線到example.com:80的連線。然後，HTTP請求被傳送到伺服器，並讀取伺服器的回應。

DNS解析

在網際網路上，網域名稱被用於識別主機。但是，網際網路上的通訊是根據IP地址的。因此，需要有一種機制將網域名稱轉換為IP地址，這就是DNS（網域名稱系統）的作用。

DNS是一種分散式的資料函式庫，儲存了網域名稱和IP地址之間的對映關係。當你存取一個網站時，DNS會將網域名稱轉換為IP地址，以便你的電腦可以與該網站的伺服器進行通訊。

以下是使用Rust語言進行DNS解析的範例：

use trust_dns::client::Client;
use trust_dns::resolver::Resolver;

fn main() {
    let client = Client::new();
    let resolver = Resolver::new(client);
    let response = resolver.lookup_ip("example.com").unwrap();
    println!("{:?}", response);
}

在這個範例中，trust_dns函式庫被用於進行DNS解析。Client和Resolver結構體用於建立一個DNS客戶端和解析器。然後，lookup_ip方法用於查詢example.com的IP地址。

網域名稱的技術定義

當我們在日常生活中提到「網域名稱」（Domain Name）時，往往指的是一個用於識別網際網路上某個網站或服務的字串。但從技術角度來看，網域名稱的定義更加複雜和嚴謹。

網域名稱的結構

一個網域名稱通常由多個標籤（Label）組成，這些標籤之間由點（.）隔開。每個標籤可以包含字母、數字和連字元（-），但不能以連字元開頭或結尾。網域名稱的結構可以用一個樹狀結構來表示，其中每個標籤都是樹中的一個節點。

完全限定網域名稱（FQDN）

完全限定網域名稱（FQDN）是一種特殊的網域名稱，它包括了從根網域（Root Domain）到特定主機或服務的完整路徑。根網域通常被表示為一個單獨的點（.），而FQDN則是從根網域開始，逐步指定每個標籤，直到達到目標主機或服務。

Rust 中的網域名稱實作

在 Rust 程式語言中，trust_dns 函式庫提供了對網域名稱的實作。其中，Name 結構體代表了一個網域名稱，它包含了兩個欄位：is_fqdn 和 labels。is_fqdn 是一個布林值，指示該網域名稱是否為完全限定網域名稱，而 labels 則是一個向量，包含了組成該網域名稱的所有標籤。

pub struct Name {
    is_fqdn: bool,
    labels: Vec<Label>,
}

訊息封裝

在 DNS 通訊中，訊息（Message）是一個容器，包含了對 DNS 伺服器的請求和回應。這些訊息可以封裝在 Message 結構體中，它提供了一個標準化的方式來表示 DNS 訊息。

圖表翻譯：

此圖表示了 DNS 訊息的基本結構。訊息（Message）可以包含請求（Request）或回應（Response），而這些請求和回應都與 DNS 伺服器相關。圖中展示了訊息如何與 DNS 伺服器進行互動，包括傳送請求和接收回應。

DNS 訊息結構與型別

DNS 訊息（Message）是 DNS 通訊中的基本單位，負責在 DNS 伺服器和客戶端之間傳遞查詢（queries）和回應（answers）。每個 DNS 訊息都包含一個標頭（header），但其他欄位則不是必需的。

Message 結構

Message 結構體用於代表 DNS 訊息，包含了多個欄位，包括：

  • header: 標頭，包含了訊息的基本資訊。
  • queries: 查詢，儲存了查詢的相關資訊，型別為 Vec<Query>，表示可以有多個查詢。
  • answers: 回應，儲存了回應的相關資訊，型別為 Vec<Record>，表示可以有多個回應。
  • name_servers: 權威名稱伺服器的資訊，型別為 Vec<Record>。
  • additionals: 附加資訊，型別為 Vec<Record>。
  • sig0: 簽名資訊，型別為 Vec<Record>。
  • edns: 擴充套件 DNS 引數，型別為 Option<Edns>，表示這個欄位可以不存在。

這些欄位使用向量（Vec）來表示集合，這使得即使某些欄位沒有值時，也不需要額外的包裝（如使用 Option），因為向量的長度可以為 0，以表示該欄位沒有值。

訊息型別

DNS 訊息型別（MessageType）用於區分查詢和回應。它定義了兩種主要型別：

  • Query: 查詢，表示這個訊息是一個查詢請求。
  • Response: 回應，表示這個訊息是一個回應。

此外，DNS 訊息還包含一個唯一的識別碼（Message ID），它是一個 16 位元的無符號整數（u16），用於將查詢和回應進行匹配。這使得傳送者可以根據這個 ID 將收到的回應與之前發出的查詢進行關聯。

DNS 記錄型別

DNS 記錄型別是指 DNS 程式碼，這些程式碼可能曾在您設定網域名稱時遇到過。值得注意的是，trust_dns 如何處理無效程式碼。RecordType 列舉包含一個 Unknown(u16) 變體，可以用於它不理解的程式碼。

定義

trust_dns::rr::record_type::RecordType 中定義了以下列舉：

pub enum RecordType {
    A,
    AAAA,
    ANAME,
    ANY,
    //...
    Unknown(u16),
    ZERO,
}

查詢結構

查詢結構 Query 儲存了網域名稱查詢的相關資訊。以下是 Query 的結構：

struct Query {
    //...
}

內容解密：

上述程式碼定義了一個 RecordType 列舉，包含了多種 DNS 記錄型別，例如 A、AAAA、ANAME 等。此外，還有一個 Unknown(u16) 變體，用於處理未知的 DNS 程式碼。這個設計允許 trust_dns 處理它不理解的程式碼，提高了它的容錯性和擴充套件性。

圖表翻譯：

圖表說明：

上述 Plantuml 圖表展示了 DNS 記錄型別與 RecordType 列舉之間的關係。圖表顯示了不同 DNS 記錄型別（如 A、AAAA 等）與 RecordType 列舉的對應關係，並且還包括了 Unknown(u16) 變體，用於處理未知的 DNS 程式碼。

DNS 查詢的基本構成

DNS 查詢是一個複雜的過程，涉及多個引數和設定。為了更好地理解這個過程，我們需要了解 DNS 查詢的基本構成。

DNS 查詢的基本元素

一個 DNS 查詢通常包含以下幾個基本元素：

  • 名稱（Name）：這是查詢的物件，也就是我們想要查詢的網域名稱或主機名稱。
  • 查詢型別（Query Type）：這定義了查詢的型別，例如查詢 IPv4 地址、IPv6 地址或其他型別的記錄。
  • DNS 類別（DNS Class）：這定義了查詢的類別，通常是 Internet（IN）。

Rust 中的 DNS 查詢實作

在 Rust 中，trust_dns 函式庫提供了 DNS 查詢的實作。下面是 Query 結構體的定義：

pub struct Query {
    name: Name,
    query_type: RecordType,
    query_class: DNSClass,
}

建構 DNS 訊息

要建構一個 DNS 訊息，需要設定查詢的 ID、訊息型別、名稱、查詢型別和 DNS 類別。以下是建構一個 DNS 訊息的例子：

let mut msg = Message::new();
msg.set_id(rand::random::<u16>());
msg.set_message_type(MessageType::Query);

設定查詢名稱和型別

設定查詢名稱和型別是建構 DNS 訊息的關鍵步驟。以下是設定查詢名稱和型別的例子：

let domain_name = "example.com";
let query_type = RecordType::A;
let query_class = DNSClass::IN;

完整的 DNS 查詢範例

下面是建構一個完整的 DNS 查詢訊息的範例：

let mut msg = Message::new();
msg.set_id(rand::random::<u16>());
msg.set_message_type(MessageType::Query);
let domain_name = "example.com";
let query_type = RecordType::A;
let query_class = DNSClass::IN;
let query = Query {
    name: domain_name.into(),
    query_type,
    query_class,
};
msg.add_query(query);

內容解密

上述範例展示瞭如何建構一個 DNS 查詢訊息。首先，建立一個新的 Message 例項，並設定其 ID 和訊息型別。然後，定義查詢名稱、型別和 DNS 類別。最後，建立一個 Query 例項，並將其新增到 Message 中。

圖表翻譯

圖表說明

上述流程圖展示了建構 DNS 查詢訊息的步驟。首先，建構一個 Message 例項，並設定其 ID 和訊息型別。然後，定義查詢名稱、型別和 DNS 類別。最後，建立一個 Query 例項，並將其新增到 Message 中。

DNS 訊息構建與查詢

在上一節中，我們已經瞭解瞭如何使用 trust_dns 來構建 DNS 訊息。現在，我們將更深入地探討 DNS 訊息的結構和查詢過程。

DNS 訊息結構

DNS 訊息由多個部分組成，包括標頭、查詢和答案。標頭包含了 DNS 訊息的基本資訊，例如訊息的型別和編號。查詢部分包含了要查詢的網域名稱和記錄型別。答案部分包含了查詢結果。

查詢過程

當我們要查詢一個網域名稱的 IP 地址時，我們需要構建一個 DNS 訊息並將其傳送到 DNS 伺服器。以下是查詢過程的步驟：

  1. 解析命令列引數：我們需要解析命令列引數以取得要查詢的網域名稱和記錄型別。
  2. 構建 DNS 訊息：我們使用 trust_dns 來構建一個 DNS 訊息，包括標頭、查詢和答案部分。
  3. 轉換為 byte 流：我們需要將構建好的 DNS 訊息轉換為 byte 流，以便傳送到 DNS 伺服器。
  4. 傳送 byte 流：我們將 byte 流傳送到 DNS 伺服器。
  5. 接受回應：我們需要接受 DNS 伺服器的回應，並將其解碼為 DNS 訊息。
  6. 印出結果：我們最終需要印出查詢結果。

OpCode 列舉

OpCode 列舉是用於定義 DNS 訊息的操作碼。它是一種擴充套件機制，允許未來新增新的功能。目前，OpCode 列舉定義了四個值：Query、Status、Notify 和 Update。

pub enum OpCode {
    Query,
    Status,
    Notify,
    Update,
}

示例程式碼

以下是構建 DNS 訊息的示例程式碼：

use trust_dns::op::OpCode;
use trust_dns::query::Query;

let domain_name = "example.com";
let record_type = RecordType::A;

let query = Query::query(domain_name, record_type)
   .set_op_code(OpCode::Query)
   .set_recursion_desired(true);

在這個示例中，我們構建了一個 DNS 訊息，包括標頭、查詢和答案部分。查詢部分包含了要查詢的網域名稱和記錄型別。答案部分尚未填充，因為我們尚未傳送查詢請求。

網域名稱解析過程

網域名稱解析是一個將網域名稱轉換為IP地址的過程。這個過程涉及多個DNS（Domain Name System）伺服器之間的溝通，以便找到所需的IP地址。

DNS查詢流程

當我們在瀏覽器中輸入一個網域名稱時，電腦會向DNS伺服器傳送一個查詢請求。DNS伺服器會根據自己的快取或組態檔案來查詢對應的IP地址。如果DNS伺服器不知道答案，它會向其他DNS伺服器傳送查詢請求，直到找到所需的IP地址。

IPv6地址

IPv6地址是一種新的網際網路協定地址，與傳統的IPv4地址不同。IPv6地址使用128位元的長度，通常以十六進位制格式表示。AAAA是IPv6地址的等效型別。

TCP協定

TCP（Transmission Control Protocol）是一種可靠的、導向連線的傳輸協定。它確保資料包的傳輸是可靠的和有序的。

執行解析應用程式

要執行解析應用程式，需要使用Cargo工具。Cargo是Rust語言的套件管理器，可以幫助我們管理和執行Rust專案。以下是執行解析應用程式的步驟：

  1. 克隆官方原始碼倉函式庫：git clone https://github.com/rust-in-action/rust-in-action.git
  2. 切換到專案目錄：cd rust-in-action/ch8/ch8-resolve
  3. 執行Cargo命令：cargo run

這將編譯和執行解析應用程式。您可以使用cargo run命令來加速您的開發過程。

程式碼解析

以下是解析應用程式的程式碼：

// Listings 8.8 and 8.9 are the project's source code.
use std::net::Ipv6Addr;

fn main() {
    //...
}

//...

內容解密：

上述程式碼使用Rust語言實作了網域名稱解析功能。它使用std::net::Ipv6Addr型別來表示IPv6地址，並定義了一個main函式來執行解析過程。

圖表翻譯：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Rust 實作 DNS 解析器：解析網域名稱至 IP 地址

package "資料庫架構" {
    package "應用層" {
        component [連線池] as pool
        component [ORM 框架] as orm
    }

    package "資料庫引擎" {
        component [查詢解析器] as parser
        component [優化器] as optimizer
        component [執行引擎] as executor
    }

    package "儲存層" {
        database [主資料庫] as master
        database [讀取副本] as replica
        database [快取層] as cache
    }
}

pool --> orm : 管理連線
orm --> parser : SQL 查詢
parser --> optimizer : 解析樹
optimizer --> executor : 執行計畫
executor --> master : 寫入操作
executor --> replica : 讀取操作
cache --> executor : 快取命中

master --> replica : 資料同步

note right of cache
  Redis/Memcached
  減少資料庫負載
end note

@enduml

上述圖表展示了網域名稱解析過程。它從網域名稱開始，經過DNS查詢和DNS伺服器，最終傳回IP地址。

從頭開始編譯和構建：建立專案結構

為了從頭開始編譯和構建，請按照以下步驟建立專案結構：

  1. 建立新專案：在命令列中輸入以下命令，以建立一個名為 resolve 的新專案：

    $ cargo new resolve

    這將會建立一個名為 resolve 的二進位制應用程式套件。

  2. 安裝 cargo-edit：接下來，安裝 cargo-edit 工具，以便於管理依賴項：

    $ cargo install cargo-edit

  3. 切換到專案目錄：進入剛剛建立的 resolve 專案目錄：

    $ cd resolve

  4. 新增依賴項：使用 cargo add 命令新增必要的依賴項：

    $ cargo add rand@0.6
$ cargo add clap@2
$ cargo add trust-dns@0.16 --no-default-features

    這些命令分別新增 rand、clap 和 trust-dns 依賴項到您的專案中。

  5. 確認 Cargo.toml：確保您的 Cargo.toml 檔案與給定的清單（例如，ch8/ch8-resolve/Cargo.toml）匹配，以確保所有必要的依賴項都已經正確新增。

  6. 替換 src/main.rs 內容：用給定的清單（例如，ch8/ch8-resolve/src/main.rs）替換 src/main.rs 檔案的內容，這將提供實際的程式碼實作。

執行專案

當您完成上述步驟後，您可以使用以下命令執行您的專案：

$ cargo run -- -q

這個命令會編譯您的程式碼，並以靜默模式（ -q旗標）執行它。任何在 -- 後面的引數都會被傳遞給編譯後的可執行檔。

專案結構概覽

您的專案結構應該如下所示：

ch8-resolve
├── Cargo.toml
└── src
    └── main.rs

其中，Cargo.toml 定義了您的專案及其依賴項，而 src/main.rs 包含了您的程式碼實作。

Cargo.toml 範例

以下是 Cargo.toml 的範例內容：

[package]
name = "resolve"
version = "0.1.0"
edition = "2018"

[dependencies]
rand = "0.6"
clap = "2"
trust-dns = { version = "0.16", default-features = false }

這個範例定義了一個名為 resolve 的套件，版本為 0.1.0，並指定了必要的依賴項版本。

DNS 解析器實作

從底層網路通訊到使用者介面應用，DNS 解析扮演著至關重要的角色。本文深入探討了 DNS 訊息結構、查詢型別、記錄型別以及使用 Rust 的 trust-dns 函式庫構建 DNS 解析器的過程。透過解析命令列引數、構建訊息、編碼、傳送、接收及解碼回應，我們完整地展示了 DNS 解析的流程。然而，trust-dns 函式庫本身的複雜性和網路環境的多變性，也為 DNS 解析帶來了挑戰。例如，解析器的效能受到網路延遲和 DNS 伺服器回應速度的影響，同時，安全性也是一個需要持續關注的議題。展望未來，隨著網際網路的發展，DNS 解析技術也將不斷演進，例如 DNS over HTTPS (DoH) 和 DNS over TLS (DoT) 等新興技術，將進一步提升解析的安全性及隱私性。對於開發者而言，掌握 DNS 解析的底層原理和實作方法，將有助於構建更穩健、高效能且安全的網路應用程式。玄貓認為，深入理解 DNS 解析的技術細節，並持續關注其發展趨勢，對於網路開發人員至關重要。

玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。