DNSの仕組みを理解してみた

DNSとは？

DNS（Domain Name System）とは、ドメイン名をIPアドレスに変換し、特定のサーバーにリクエストを送ることができるようにするための仕組みです。

必要な理由

インターネット上で通信を行う際、コンピュータは実際にはIPアドレス（例：192.0.2.1）を使用して通信を行います。しかし、人間にとってexample.comのようなドメイン名の方が覚えやすく、理解しやすいため、ドメイン名とIPアドレスを対応付ける仕組みが必要になりました。

DNSは以下の理由で必要不可欠です：

• 人間にとって分かりやすい：google.comの方が142.250.191.14よりも覚えやすい
• 負荷分散：1つのドメイン名に複数のIPアドレスを紐付けることで、トラフィックを分散できる
• サービス管理：同じサーバーで複数のサービスを提供する際に、異なるドメイン名で区別できる

名前解決に必要な主要な構成要素

DNSの名前解決には、以下の主要な構成要素が関与します：

1. DNSクライアント（リゾルバ）

• ブラウザやアプリケーションからDNS問い合わせを開始するプログラム
• 通常はOSに組み込まれている

2. 再帰リゾルバ（Recursive Resolver）

• クライアントからの問い合わせを受け取り、最終的な答えを見つけるまで問い合わせを続けるサーバー
• ISPが提供するDNSサーバーや、Google Public DNS（8.8.8.8）、Cloudflare DNS（1.1.1.1）など
• キャッシュ機能を持ち、一度解決したドメイン名を一時的に保存する

3. ルートネームサーバー（Root Name Server）

• DNS階層の最上位に位置するサーバー
• 全世界に13台存在し、各トップレベルドメイン（.com、.org、.jpなど）の権威ネームサーバーの情報を保持
• 例：.comドメインの権威ネームサーバーはどこにあるかを教えてくれる

4. 権威ネームサーバー（Authoritative Name Server）

• 特定のドメインに関する情報を正式に管理するサーバー
• ドメインの所有者が設定・管理する
• 最終的なIPアドレス情報を提供する

クライアントがIPアドレスを知るまで

クライアントがIPアドレスを知るまでの流れは、以下のような段階を経ます：

1. クライアント側の問い合わせ：ブラウザがexample.comにアクセスしようとする
2. 再帰リゾルバへの問い合わせ：クライアントは再帰リゾルバに「example.comのIPアドレスは？」と問い合わせる
3. 階層的な問い合わせ：再帰リゾルバがルートサーバー、TLDサーバー、権威ネームサーバーへ順に問い合わせる
4. 結果の返却：最終的に得られたIPアドレスがクライアントに返される
5. キャッシュ：再帰リゾルバは結果をキャッシュし、次回の問い合わせを高速化する

名前解決のステップ

再帰的な問い合わせの流れ

以下は、www.example.comのIPアドレスを取得する際の典型的な再帰的な問い合わせの流れです：

┌─────────┐
│ クライアント │
│ (ブラウザ) │
└────┬────┘
     │ 1. www.example.comのIPアドレスは？
     ▼
┌─────────────────┐
│ 再帰リゾルバ      │
│ (ISPのDNSサーバー)│
└────┬────────────┘
     │ 2. www.example.comのIPアドレスは？
     ▼
┌─────────────────┐
│ ルートネームサーバー │
│ (.)              │
└────┬────────────┘
     │ 3. .comの権威ネームサーバーは？
     ▼
┌─────────────────┐
│ TLDネームサーバー  │
│ (.com)          │
└────┬────────────┘
     │ 4. example.comの権威ネームサーバーは？
     ▼
┌─────────────────┐
│ 権威ネームサーバー  │
│ (example.com)   │
└────┬────────────┘
     │ 5. www.example.comのIPアドレスは 192.0.2.1
     ▼
┌─────────────────┐
│ 再帰リゾルバ      │
│ (結果をキャッシュ) │
└────┬────────────┘
     │ 6. IPアドレス: 192.0.2.1
     ▼
┌─────────┐
│ クライアント │
│ (ブラウザ) │
└─────────┘

詳細なステップ説明

1. クライアントから再帰リゾルバへ

   • ブラウザがwww.example.comにアクセスしようとする
   • OSのDNSリゾルバが、設定されている再帰リゾルバ（例：8.8.8.8）に問い合わせる

2. 再帰リゾルバからルートサーバーへ

   • 再帰リゾルバは、まずルートネームサーバーに問い合わせる
   • ルートサーバーは「.comドメインの情報は、.comのTLDネームサーバーに聞いてください」と返答

3. TLDネームサーバーへ

   • 再帰リゾルバは.comのTLDネームサーバーに問い合わせる
   • TLDサーバーは「example.comの情報は、example.comの権威ネームサーバーに聞いてください」と返答

4. 権威ネームサーバーへ

   • 再帰リゾルバはexample.comの権威ネームサーバーに問い合わせる
   • 権威ネームサーバーは「www.example.comのIPアドレスは192.0.2.1です」と返答

5. 結果の返却とキャッシュ

   • 再帰リゾルバは結果をクライアントに返す
   • 同時に、結果をキャッシュに保存する（TTL：Time To Liveに従って一定時間保持）

キャッシュの重要性

一度名前解決が完了すると、再帰リゾルバは結果をキャッシュに保存します。次回同じドメイン名への問い合わせがあった場合、キャッシュから即座に結果を返すことができるため、DNS問い合わせの速度が大幅に向上します。

まとめ

DNSは、人間が理解しやすいドメイン名を、コンピュータが通信に使用するIPアドレスに変換するための重要な仕組みです。

• DNSの役割：ドメイン名とIPアドレスの対応付け
• 主要な構成要素：DNSクライアント、再帰リゾルバ、ルートネームサーバー、TLDネームサーバー、権威ネームサーバー
• 再帰的な問い合わせ：階層的な構造を利用して、ルートサーバーから順に問い合わせを進め、最終的に権威ネームサーバーからIPアドレスを取得する
• キャッシュ機能：一度解決した結果を保存することで、次回の問い合わせを高速化する

この仕組みにより、私たちはgoogle.comやgithub.comのようなドメイン名で、世界中のサーバーにアクセスできるようになっています。