奚婧 胡文驊

摘要：本文主要介紹了基于.Net平臺(tái)的DNS域名解析仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。作者在闡述DNS服務(wù)器工作原理及域名解析過(guò)程的同時(shí)，以C#高級(jí)編程語(yǔ)言編寫基于非阻塞通信框架下的DNS仿真服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了Server-Server、Client-Server雙向通信，從而模擬了客戶端DNS查詢報(bào)文構(gòu)建、DNS查詢報(bào)文發(fā)送、DNS服務(wù)器端報(bào)文接收和解析、DNS響應(yīng)報(bào)文的回傳等功能。通過(guò)仿真編程實(shí)踐可以讓學(xué)生全面透徹理解DNS域名解析原理并有效鍛煉實(shí)際動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：DNS；分布式數(shù)據(jù)庫(kù)；.Net框架；權(quán)威域名服務(wù)器；報(bào)文解析；C#；非阻塞通信

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2019）08-0106-04

引言

在《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》及《組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理》等相關(guān)課程教學(xué)中，學(xué)生對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解掌握一直存在薄弱環(huán)節(jié)。因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講解要注重兩個(gè)層面的剖析，一個(gè)從整體角度出發(fā)介紹協(xié)議的作用、格式標(biāo)準(zhǔn)、流程步驟、所屬類別，另一個(gè)講述協(xié)議如何編碼實(shí)現(xiàn)。通過(guò)具體的編碼實(shí)踐，可以讓學(xué)生對(duì)協(xié)議的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有較為直觀具象的認(rèn)識(shí)，與傳統(tǒng)的純理論式授課相比，實(shí)踐操作模式更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

本文以DNS域名解析仿真實(shí)驗(yàn)為例，闡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議章節(jié)如何配套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。DNS系統(tǒng)是提供域名到IP地址這種映射服務(wù)，方便訪問(wèn)因特網(wǎng)上的各個(gè)主機(jī)。其協(xié)議主要環(huán)節(jié)由四個(gè)方面組成：DNS查詢報(bào)文構(gòu)建、DNS查詢報(bào)文發(fā)送、DNS服務(wù)器端報(bào)文接收和解析、DNS響應(yīng)報(bào)文回傳。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

本實(shí)驗(yàn)旨在在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生自主搭建起真實(shí)有效的環(huán)境平臺(tái)，模擬一個(gè)基于TCP/IP應(yīng)用程序及分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的采用客戶-服務(wù)器（C/S）架構(gòu)模式的DNS域名解析系統(tǒng)；提供主機(jī)名稱和IP地址之間的轉(zhuǎn)換及有關(guān)電子郵件的選路信息服務(wù)，使大多數(shù)名字都在本地進(jìn)行解析，僅少量解析需要在因特網(wǎng)（本地仿真）上通信，提高服務(wù)效率；模擬仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用微軟.Net Framework，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)使用SQL Server 2008 Express，學(xué)生通過(guò)C#編程語(yǔ)言完成DNS客戶端和服務(wù)端組件的開(kāi)發(fā)工作，并能實(shí)現(xiàn)雙向通信。

DNS仿真實(shí)驗(yàn)總體概述

1.DNS工作原理解析

域名系統(tǒng)（DNS）是一種用于TCP/IP應(yīng)用程序的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，它提供主機(jī)名字和IP地址之間的轉(zhuǎn)換及有關(guān)電子郵件的選路信息。這里提到的分布式是指在Internet上的單個(gè)站點(diǎn)不能擁有所有的信息。DNS提供了允許服務(wù)器和客戶程序相互通信的協(xié)議。

當(dāng)某一個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程需要把主機(jī)名解析為IP地址時(shí)，該應(yīng)用進(jìn)程就調(diào)用解析程序，并成為DNS的一個(gè)客戶，把待解析的域名放在DNS請(qǐng)求報(bào)文中，以UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)方式發(fā)給本地服務(wù)器。本地域名服務(wù)器在查找域名后，把對(duì)應(yīng)的IP地址放在回答報(bào)文中返回。應(yīng)用進(jìn)程獲得目的主機(jī)的IP地址后即可進(jìn)行通信。若本地域名服務(wù)器不能回答該請(qǐng)求，則此域名服務(wù)器就暫時(shí)成為DNS中的另一個(gè)客戶，并向其他域名服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求。

域名解析過(guò)程分為兩種類型：遞歸查詢和迭代查詢。一般主機(jī)向本地域名服務(wù)器的查詢采用遞歸查詢，而本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器的查詢通常采用迭代查詢。

所謂遞歸查詢，就是如果主機(jī)所詢問(wèn)的本地域名服務(wù)器不知道被查詢域名的IP地址，那么本地域名服務(wù)器就以DNS客戶的身份，向其他根域名服務(wù)器繼續(xù)發(fā)出查詢請(qǐng)求報(bào)文（替主機(jī)完成查詢請(qǐng)求），而不是讓該主機(jī)自己向根域名發(fā)出查詢請(qǐng)求。因此，遞歸查詢返回的查詢結(jié)果或者是所要查詢的IP地址信息，或者是返回?zé)o法查詢到結(jié)果提示信息。

而迭代查詢是指當(dāng)本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器發(fā)送查詢報(bào)文后，根域名服務(wù)器要么直接給出IP，要么給出管理所要查詢域名的頂級(jí)域名的權(quán)限服務(wù)器地址，讓其轉(zhuǎn)向管理頂級(jí)域的服務(wù)器繼續(xù)查詢，而不是替本地域名服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)查詢（如上頁(yè)圖1）。同理，當(dāng)頂級(jí)域名服務(wù)器收到查詢報(bào)文后，要么直接給出IP地址，要么給出管理二級(jí)域名的權(quán)限服務(wù)器地址，讓其轉(zhuǎn)向查詢。最后，知道了所要解析的域名的IP地址之后把這個(gè)結(jié)果返回給發(fā)起查詢的主機(jī)。

2.系統(tǒng)通信框架結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)

正如前面所述，當(dāng)主機(jī)向本地域名服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求后，若本地域名服務(wù)器不能回答該請(qǐng)求，則此域名服務(wù)器就暫時(shí)成為DNS中的另一個(gè)客戶，并向其他域名服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求。所以在DNS系統(tǒng)當(dāng)中，域名服務(wù)器在充當(dāng)“服務(wù)器”角色的同時(shí)，也可以擔(dān)當(dāng)“客戶端”角色，因此通信模型的設(shè)計(jì)是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)狀通信模型（如上頁(yè)圖2）。

3.系統(tǒng)功能模型分析設(shè)計(jì)

本文所說(shuō)的DNS仿真系統(tǒng)核心功能模塊由四項(xiàng)組成：基于TCP協(xié)議的非阻塞通信模塊、報(bào)文封裝構(gòu)建模塊、報(bào)文解析查詢模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊。

非阻塞通信模塊：完成基本的服務(wù)器與服務(wù)器之間的連接通信，包括端口監(jiān)聽(tīng)、連接建立、信息收發(fā)等功能。

報(bào)文封裝構(gòu)建模塊：主要完成DNS查詢報(bào)文或者響應(yīng)報(bào)文的格式封裝。

報(bào)文解析查詢模塊：完成報(bào)文的解析，以及根據(jù)報(bào)文包含的信息進(jìn)行查詢工作，如查詢A記錄、PTR指針信息。該模塊的運(yùn)行需要依賴通信模塊及報(bào)文封裝構(gòu)建模塊。

數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊：該模塊利用ADO.NET 2.0技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SQL Server 2008 Express中數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能，在本系統(tǒng)中，所有的Transact-SQL語(yǔ)句運(yùn)行均采用存儲(chǔ)過(guò)程形式，并通過(guò)ADO.NET組件將結(jié)果集以SqlDataReader或者DataSet形式返回。之所以利用存儲(chǔ)過(guò)程，一方面是因?yàn)橐丫幾g的SQL語(yǔ)句可以有效提高數(shù)據(jù)查詢效率，另一方面也保證了數(shù)據(jù)訪問(wèn)的安全性。

DNS仿真實(shí)驗(yàn)詳細(xì)構(gòu)成

1.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

頂級(jí)域名表，存放于根域名服務(wù)器（如表1）；二級(jí)域名表，存放于管理一級(jí)域的權(quán)限域名服務(wù)器（如表2）；三級(jí)域名表，存放于管理二級(jí)域的權(quán)限域名服務(wù)器（如表3）；域名-IP映射緩存表，存放于本地DNS服務(wù)器（如上頁(yè)表4）。

2.數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)方面，筆者采用了ADO.NET組件，ADO.NET是一種新的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，是.NET Framework中用以操作數(shù)據(jù)庫(kù)的類庫(kù)的總稱，提供對(duì)Microsoft SQL Server、Oracle以及OLE DB和XML數(shù)據(jù)源的一致訪問(wèn)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)ADO.NET，應(yīng)用程序不但能夠連接到指向數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源，檢索、操作和更新數(shù)據(jù)，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)其他數(shù)據(jù)格式的訪問(wèn)。

3.通信模塊實(shí)現(xiàn)

在通信解決方案中筆者通過(guò)線程池來(lái)提供線程，線程池中預(yù)先創(chuàng)建了一些工作線程，它們不斷從工作隊(duì)列中取出任務(wù)，然后執(zhí)行該任務(wù)，當(dāng)工作線程執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)后，就會(huì)繼續(xù)執(zhí)行工作隊(duì)列中下一個(gè)任務(wù)，從而減少了創(chuàng)建和銷毀線程的次數(shù)，每個(gè)工作線程都可以一直被重用，提高了并發(fā)性，減緩了系統(tǒng)資源開(kāi)銷。

另外，本模塊的非阻塞通信構(gòu)架，是指當(dāng)線程執(zhí)行這些方法時(shí)，如果操作還沒(méi)有就緒，并不會(huì)繼續(xù)等待，而是立即返回。具體在.Net中，可以通過(guò)委托進(jìn)行方法的異步調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)非阻塞，就是說(shuō)程序在異步調(diào)用方法時(shí)，本身并不會(huì)因?yàn)榉椒ǖ恼{(diào)用而中斷，而是從線程池中抓取一個(gè)線程去執(zhí)行該方法，自身線程（主線程）在完成抓取線程這一過(guò)程之后，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼，這樣就實(shí)現(xiàn)了代碼的并行執(zhí)行。

4.DNS報(bào)文查詢模塊實(shí)現(xiàn)

查詢模塊DnsQuery是本系統(tǒng)最為核心的一個(gè)類，在設(shè)計(jì)時(shí)，將其設(shè)定為靜態(tài)類。靜態(tài)類與非靜態(tài)類基本相同，但存在一個(gè)區(qū)別，即靜態(tài)類不能實(shí)例化，也就是說(shuō)，不能使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建靜態(tài)類類型的變量。因?yàn)闆](méi)有實(shí)例變量，所以要使用類名本身訪問(wèn)靜態(tài)類的成員。

之所以將DnsQuery類設(shè)定為靜態(tài)類，是因?yàn)閷?duì)于只對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行運(yùn)算而不獲取或設(shè)置任何內(nèi)部實(shí)例字段的方法集，靜態(tài)類可以方便地用作這些方法集的容器。靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)僅調(diào)用一次，在程序駐留的應(yīng)用程序域的生存期內(nèi)，靜態(tài)類一直保留在內(nèi)存中。使用靜態(tài)類的優(yōu)點(diǎn)在于，編譯器能夠執(zhí)行檢查以確保不致偶然地添加實(shí)例成員。

5.用戶接口

在用戶接口設(shè)計(jì)方面，使用的是Windows窗體應(yīng)用程序形式。Windows窗體特別適合于豐富圖形用戶界面并非最重要任務(wù)的應(yīng)用程序快速開(kāi)發(fā)方案。

總結(jié)

通過(guò)DNS域名解析仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)DNS域名系統(tǒng)有了較為深入的了解。在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)DNS域名層次空間、報(bào)文封裝、解析、查詢流程的認(rèn)真設(shè)計(jì)分析和編碼開(kāi)發(fā)，學(xué)生可以逐個(gè)步驟還原DNS域名解析過(guò)程。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的介入，很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程中知識(shí)點(diǎn)抽象、晦澀，學(xué)生難以理解的問(wèn)題，詳細(xì)豐富的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也讓學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中有章可循并能觸類旁通，既提升了解決具體問(wèn)題時(shí)綜合利用各類計(jì)算機(jī)編程工具的水平，也對(duì)鞏固所學(xué)理論知識(shí)形成良好的正向反饋。

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