基于.Net平台的DNS域名解析仿真实验教学设计

奚婧 胡文骅

摘要：本文主要介绍了基于.Net平台的DNS域名解析仿真实验在计算机网络课程教学中的具体应用。作者在阐述DNS服务器工作原理及域名解析过程的同时，以C#高级编程语言编写基于非阻塞通信框架下的DNS仿真服务器，实现了Server-Server、Client-Server双向通信，从而模拟了客户端DNS查询报文构建、DNS查询报文发送、DNS服务器端报文接收和解析、DNS响应报文的回传等功能。通过仿真编程实践可以让学生全面透彻理解DNS域名解析原理并有效锻炼实际动手能力。

关键词：DNS；分布式数据库；.Net框架；权威域名服务器；报文解析；C#；非阻塞通信

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2019）08-0106-04

引言

在《计算机网络》及《组网和网络管理》等相关课程教学中，学生对核心网络协议的理解掌握一直存在薄弱环节。因此，网络协议的讲解要注重两个层面的剖析，一个从整体角度出发介绍协议的作用、格式标准、流程步骤、所属类别，另一个讲述协议如何编码实现。通过具体的编码实践，可以让学生对协议的各个知识点有较为直观具象的认识，与传统的纯理论式授课相比，实践操作模式更能够激发学生的学习主动性。

本文以DNS域名解析仿真实验为例，阐述计算机网络课程中网络协议章节如何配套进行实验教学设计。DNS系统是提供域名到IP地址这种映射服务，方便访问因特网上的各个主机。其协议主要环节由四个方面组成：DNS查询报文构建、DNS查询报文发送、DNS服务器端报文接收和解析、DNS响应报文回传。

实验目的和内容

本实验旨在在教学过程中让学生自主搭建起真实有效的环境平台，模拟一个基于TCP/IP应用程序及分布式数据库的采用客户-服务器（C/S）架构模式的DNS域名解析系统；提供主机名称和IP地址之间的转换及有关电子邮件的选路信息服务，使大多数名字都在本地进行解析，仅少量解析需要在因特网（本地仿真）上通信，提高服务效率；模拟仿真开发平台选用微软.Net Framework，开发环境为Visual Studio，关系数据库系统使用SQL Server 2008 Express，学生通过C#编程语言完成DNS客户端和服务端组件的开发工作，并能实现双向通信。

DNS仿真实验总体概述

1.DNS工作原理解析

域名系统（DNS）是一种用于TCP/IP应用程序的分布式数据库，它提供主机名字和IP地址之间的转换及有关电子邮件的选路信息。这里提到的分布式是指在Internet上的单个站点不能拥有所有的信息。DNS提供了允许服务器和客户程序相互通信的协议。

当某一个应用程序进程需要把主机名解析为IP地址时，该应用进程就调用解析程序，并成为DNS的一个客户，把待解析的域名放在DNS请求报文中，以UDP用户数据报方式发给本地服务器。本地域名服务器在查找域名后，把对应的IP地址放在回答报文中返回。应用进程获得目的主机的IP地址后即可进行通信。若本地域名服务器不能回答该请求，则此域名服务器就暂时成为DNS中的另一个客户，并向其他域名服务器发出查询请求。

域名解析过程分为两种类型：递归查询和迭代查询。一般主机向本地域名服务器的查询采用递归查询，而本地域名服务器向根域名服务器的查询通常采用迭代查询。

所谓递归查询，就是如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的IP地址，那么本地域名服务器就以DNS客户的身份，向其他根域名服务器继续发出查询请求报文（替主机完成查询请求），而不是让该主机自己向根域名发出查询请求。因此，递归查询返回的查询结果或者是所要查询的IP地址信息，或者是返回无法查询到结果提示信息。

而迭代查询是指当本地域名服务器向根域名服务器发送查询报文后，根域名服务器要么直接给出IP，要么给出管理所要查询域名的顶级域名的权限服务器地址，让其转向管理顶级域的服务器继续查询，而不是替本地域名服务器进行后续查询（如上页图1）。同理，当顶级域名服务器收到查询报文后，要么直接给出IP地址，要么给出管理二级域名的权限服务器地址，让其转向查询。最后，知道了所要解析的域名的IP地址之后把这个结果返回给发起查询的主机。

2.系统通信框架结构分析设计

正如前面所述，當主机向本地域名服务器发送查询请求后，若本地域名服务器不能回答该请求，则此域名服务器就暂时成为DNS中的另一个客户，并向其他域名服务器发出查询请求。所以在DNS系统当中，域名服务器在充当“服务器”角色的同时，也可以担当“客户端”角色，因此通信模型的设计是基于点对点的网状通信模型（如上页图2）。

3.系统功能模型分析设计

本文所说的DNS仿真系统核心功能模块由四项组成：基于TCP协议的非阻塞通信模块、报文封装构建模块、报文解析查询模块、数据库访问模块。

非阻塞通信模块：完成基本的服务器与服务器之间的连接通信，包括端口监听、连接建立、信息收发等功能。

报文封装构建模块：主要完成DNS查询报文或者响应报文的格式封装。

报文解析查询模块：完成报文的解析，以及根据报文包含的信息进行查询工作，如查询A记录、PTR指针信息。该模块的运行需要依赖通信模块及报文封装构建模块。

数据库访问模块：该模块利用ADO.NET 2.0技术，实现对SQL Server 2008 Express中数据库的数据访问功能，在本系统中，所有的Transact-SQL语句运行均采用存储过程形式，并通过ADO.NET组件将结果集以SqlDataReader或者DataSet形式返回。之所以利用存储过程，一方面是因为已编译的SQL语句可以有效提高数据查询效率，另一方面也保证了数据访问的安全性。

DNS仿真实验详细构成

1.数据库设计

顶级域名表，存放于根域名服务器（如表1）；二级域名表，存放于管理一级域的权限域名服务器（如表2）；三级域名表，存放于管理二级域的权限域名服务器（如表3）；域名-IP映射缓存表，存放于本地DNS服务器（如上页表4）。

2.数据访问接口设计

在数据库访问方面，笔者采用了ADO.NET组件，ADO.NET是一种新的数据库访问技术，是.NET Framework中用以操作数据库的类库的总称，提供对Microsoft SQL Server、Oracle以及OLE DB和XML数据源的一致访问。具体来说，通过ADO.NET，应用程序不但能够连接到指向数据库的数据源，检索、操作和更新数据，而且还能实现对其他数据格式的访问。

3.通信模块实现

在通信解决方案中笔者通过线程池来提供线程，线程池中预先创建了一些工作线程，它们不断从工作队列中取出任务，然后执行该任务，当工作线程执行完一个任务后，就会继续执行工作队列中下一个任务，从而减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以一直被重用，提高了并发性，减缓了系统资源开销。

另外，本模块的非阻塞通信构架，是指当线程执行这些方法时，如果操作还没有就绪，并不会继续等待，而是立即返回。具体在.Net中，可以通过委托进行方法的异步调用来实现非阻塞，就是说程序在异步调用方法时，本身并不会因为方法的调用而中断，而是从线程池中抓取一个线程去执行该方法，自身线程（主线程）在完成抓取线程这一过程之后，继续执行下面的代码，这样就实现了代码的并行执行。

4.DNS报文查询模块实现

查询模块DnsQuery是本系统最为核心的一个类，在设计时，将其设定为静态类。静态类与非静态类基本相同，但存在一个区别，即静态类不能实例化，也就是说，不能使用new关键字创建静态类类型的变量。因为没有实例变量，所以要使用类名本身访问静态类的成员。

之所以将DnsQuery类设定为静态类，是因为对于只对输入参数进行运算而不获取或设置任何内部实例字段的方法集，静态类可以方便地用作这些方法集的容器。静态构造函数仅调用一次，在程序驻留的应用程序域的生存期内，静态类一直保留在内存中。使用静态类的优点在于，编译器能够执行检查以确保不致偶然地添加实例成员。

5.用户接口

在用户接口设计方面，使用的是Windows窗体应用程序形式。Windows窗体特别适合于丰富图形用户界面并非最重要任务的应用程序快速开发方案。

总结

通过DNS域名解析仿真实验，学生对DNS域名系统有了较为深入的了解。在具体实验过程中，通过对DNS域名层次空间、报文封装、解析、查询流程的认真设计分析和编码开发，学生可以逐个步骤还原DNS域名解析过程。仿真实验教学的介入，很大程度上弥补了传统计算机网络教学过程中知识点抽象、晦涩，学生难以理解的问题，详细丰富的实验设计也让学生在动手实践中有章可循并能触类旁通，既提升了解决具体问题时综合利用各类计算机编程工具的水平，也对巩固所学理论知识形成良好的正向反馈。

参考文献：

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