各开发语言DNS缓存配置建议

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：,1.缩短数据获取路径，热点数据就近缓存以便后续快速读取，从而明显提升处理效率；,2.降低数据远程获取频次，缓解后端数据服务压力、减少前端和后端之间的网络带宽成本；,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。,参考：域名系统 域名解析流程,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。,参考：windows系统修改TCP/IP设置（含DNS）；,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。,（1）glibc 的 getaddrinfo 函数,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：,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,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,3）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,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：,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,4）验证,综上分析，getaddrinfo 函数结合 nscd ，是可以实现 DNS 缓存的。,（2）libcurl 库的域名解析函数,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。,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。,（1）Java 标准库 HttpURLConnection,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。,（2）Apache httpcomponents-client,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。,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。,（1）标准库net.http,从测试结果来看，net.http 每次都去 DNS 查询，不支持 DNS 缓存。,（2）fasthttp 库,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,可以参考如下方法使用 fasthttp client 端,（3）第三方DNS缓存库,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,（1）requests 库,（2）httplib2 库,（3）urllib2 库,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）：,1.service nscd restart 重启服务清除所有缓存；,2.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,（6）缓存管理（清除）：,1.kill -s HUP `pidof dnsmasq` 推荐方式，无需重启服务,2.kill -s TERM `pidof dnsmasq` 或 service dnsmasq stop,3.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。