Google DNS服务器提速技术揭秘

       Google推出了“Google免费公共DNS服务器”据Google官方声称，Google DNS的目标是速度、安全性和有效性，它意味着完全没有劫持、没有阻截、没有过滤的DNS查询，而且速度飞快。那么为什么Google敢说自己的DNS服务器速度快呢？Google官方出具了一份文档说明，我们这就来看一看。

       传统的DNS服务器缓慢的原因

       随着网页越做越复杂，引用的资源可能来自多个域，于是DNS查找成为网页浏览过程的瓶颈。无论何时，客户端需要查询DNS服务器的时候，由于要查询的DNS服务器数量和它所处的地理位置不同，时间延迟有很大的差异。例如，下图显示由PageSpeed测量出的浏览一个网页时时间都花到哪些动作上了，每个条块表示网页中引用的一个资源，黑色区域表示DNS查找所花掉的时间，在这个页面中，前11秒执行了13次DNS查找，虽然很多查找是并行执行的，图中显示仍然有5个串行查找时间，它们就占据了11秒的大部分时间。

       图 1 PageSpeed报告的页面浏览过程各个操作的时间

       DNS延迟由两部分组成

       1、在客户端（用户）和DNS服务器之间的延迟，受网络通信情况的约束，这个时间所占的比例是非常大的，如客户端和服务器之间的距离，网络拥塞，数据包丢失和长时间重传延迟，服务器本身超载运行，拒绝服务攻击等。

       2、DNS服务器之间的延迟，这种延迟主要是以下因素造成的：

       （1）缓存丢失。如果某个查询请求不能从缓存中直接返回结果，请求就会递归查询其它DNS服务器，如果遇到根服务器出现这种问题，那影响更厉害。

       （2）如果DNS服务器超载运行，所有查询请求必须排队。

       （3）恶意流量。拒绝服务器攻击可以给DNS服务器带来过度的负载。

       我们认为缓存丢失是DNS延迟最主要的因素。

       缓存丢失

       即使DNS服务器有充足的本地资源，但与远程DNS服务器之间的延迟是不可避免的，当本地缓存丢失时，解析器至少需要和一个其它DNS服务器沟通，有时甚至是两个或多个，通过对Google搜索的观察，我们发现平均每次解析时间需要130毫秒，由于UDP包丢失或服务器不能响应，大约有4-6%的搜索请求会超时。如果我们采取措施解决如数据包丢失，死掉的DNS服务器，或DNS配置错误，那响应时间会上升到300-400毫秒。

       虽然各个DNS缓存丢失率不尽相同，但由于以下原因，缓存丢失是不可避免的：

       1、互联网规模在不断变大。随着互联网爆炸式增长，不断有新用户和新的网站加入，互联网内容已经非常庞大。

       2、TTL值。DNS TTL值降低的趋势迫使任何解析都需要频繁的查找。

       3、缓存隔离。DNS服务器通常都采用了负载均衡技术，每个独立的服务器都维护一份独立的缓存，而不能共用共享缓存池中的解析。

       Google免费公共DNS服务器如何提高DNS查找速度

       在Google公共DNS中，我们采用了多种技术手段来提高DNS查找速度，其中一些方法是实验性质的，另外一些是遵循标准的。

       1、充分配置服务器处理来自客户端的通信，包括恶意流量。

       2、预防DoS和放大攻击，虽然这是一个安全问题，但阻止DoS攻击可以提高DNS服务器处理正常请求的能力。

       3、共享缓存负载均衡，提高跨服务器集群的缓存命中率。

       4、域名预取技术。克服传统的被动式缓存缺陷，我们将通过这个技术满足流量有限和缓存分区等技术挑战。

       5、提供给全球用户使用。

       Google免费公共DNS服务器提速法宝一：正确配置服务器集群

       缓存DNS解析器必须执行比权威服务器更多的工作，因为很多响应不能直接从内存中找到结果，相反，它们需要与其它域名服务器通信，因此需要大量的网络I/O。此外，开放式解析器容易遭受攻击，如发送一些不能解析的全球，这增加了缓存丢失率，同时DoS攻击会增加通信负载。如果解析器没有正确配置集群，合理分配工作负载，可能也会带来负面的性能影响。如数据包被丢掉，需要重传，抵达域名服务器的请求必须排队等。所有这些因素都会引起延迟。

       因此，为DNS解析器提供大容量的I/O非常重要，包括处理可能的DoS攻击，唯一有效的方法就是提供非常多的服务器，同时，增加服务器最重要的就是不能降低缓存命中率，这需要采用有效的负载均衡策略。

       Google免费公共DNS服务器提速法宝二：共享缓存负载均衡

       如果负载均衡配置不当，增加服务器反倒会降低缓存命中率，在一个常见的部署中，多台服务器位于一台负载均衡器背后，使用诸如循环这样的简单算法来分配请求，这样做的结果是每台服务器维护它们自己的独立缓存，因此缓存内容是孤立的。如果每个请求根据通信情况被随机分配，缓存丢失率将不断增长，例如，对于那些长TTL重复查询的域名，缓存丢失率会随集群中服务器数量的增加而增长。

       为了提高缓存命中率，最重要的是负载均衡，避免缓存分散在各个服务器上，目前有两种方法：一是使所有服务器使用全局缓存，二是按域名将缓存分区，所有同一域名的查询就会被定向到同一台服务器。在Google公共DNS中，我们同时使用了这两种技术，每台服务器都共享一个小的全局缓存，包括最流行的域名，这些服务器负载均衡就很好控制了，如果这些缓存不能满足查询，它会根据域名将请求发给另一个服务器，所有相同域名的查询都会发给同一台服务器。

       Google免费公共DNS服务器提速法宝三：域名预取技术

       随着互联网规模的扩大，传统解析器命中率有些限制，它们一般缓存的都是比较流行的域名，我们希望也能够处理冷门的域名，在传统DNS服务器上，由于这些冷门域名访问次数较少，过不了多长时间就会过期，就会从缓存中清除。

       为了实现这些目标，我们正在试验域名预取技术，当前主要面临两大挑战：

       1、考虑其他域名服务器的限制。为了确保我们的预取技术不会给其它域名服务器带来过多的负载，我们队我们的传出请求做了限制，确保其它服务器的容量不被用尽。

       2、管理我们自己服务器的容量限制。由于我们的服务器没有无限的内存和CPU，在挑选域名预取服务器时要谨慎。此外，为了保护缓存不被伪造的攻击吃掉，我们将主要缓存分成主/次分区，并根据流量类型授予每个分区上的读/写权限。

       为了最大限度使用固定域名服务器，我们需要权衡每个域名记录的成本，不过要确定每个域名的成本是一项复杂的任务，因为我们想实现以下所有目标，其中一些是相互冲突的：

       1、最小化缓存丢失。这意味着我们不需要预取流行的域名，因为考正常的用户访问流量足以保证它不被清除出缓存。

       2、即使我们的服务器正在遭受拒绝服务攻击，但仍然要为流行的域名提供服务在，这意味着我们需要预取流行的域名。

       3、避免假域名污染攻击，这意味着我们不能完全依靠域名来选择流量。

       4、保持选中的域名更新，我们须臾根据流行度，成本等因素调整候选域名。

       域名选择问题的复杂性使得它不能在线完成，因此我们将预取系统分成了两部分：管道组件，它是一个外部运行的，脱机的，周期性的过程，它选择域名提交到预取系统；另一个是运行时组件，定期根据它们的TTL窗口解析选中的域名。

       管道组件综合来自各个不同源的域名，主要是Google搜索索引和最近的Google公共DNS服务器日志，根据效益进行排列，效益是各种因素的结合，包括命中率、缓存丢失成本和知名度。管道然后参照TTL成本，重新对所有记录进行排列，从顶部选择所有域名，知道成本预算用尽，管道不断更新选定的域名，运行时组件解析选中的域名记录，并根据它们的TTL设置刷新它们。

       Google免费公共DNS服务器提速法宝四：分布式DNS服务集群

       对于封闭式解析器，不存在这个问题，但对于开放式解析器，服务器越接近用户越好，他们在客户端看到的延迟会更少，此外，足够的地域覆盖也是保证端到端低延迟的重要手段，域名服务器通常会返回优化后的结果，也就是说，如果一个内容提供商在全世界都托管了他们的镜像站点，该提供商的域名服务器将会返回离访问IP最近的IP地址。

       Google公共DNS托管在全球的数据中心中，并使用选播路由将用户转向最近的数据中心。

       注意，由于域名服务器根据解析器的IP地址而不是用户的IP地址作为定位依据的，Google公共DNS服务器和其它开放式DNS服务有相同的限制：用户可能不会被定向到本地DNS提供商的服务器。这可能导致某些网站浏览起来仍然很慢。