查看域名解析（网络请求多级分流）

在用户使用信息系统的过程中，请求从浏览器出发，在域名服务器的指引下找到系统的入口，经过网关、负载均衡器、缓存、服务集群等一系列设施，最后触及到末端存储于数据库服务器中的信息，然后逐级返回到用户的浏览器之中。​现代的企业级或互联网系统，“分流”是必须要考虑的设计，分流所使用手段数量之多、涉及场景之广，可能连它的开发者本身都未必能全部意识到。这其中要经过很多技术部件。作为系统的设计者，我们应该意识到不同的设施、部件在系统中有各自不同的价值。有一些部件位于客户端或网络的边缘，能够迅速响应用户的请求，避免给后方的 I/O 与 CPU 带来压力，典型如本地缓存、内容分发网络、反向代理等。 有一些部件的处理能力能够线性拓展，易于伸缩，可以使用较小的代价堆叠机器来获得与用户数量相匹配的并发性能，应尽量作为业务逻辑的主要载体，典型如集群中能够自动扩缩的服务节点。 有一些部件稳定服务对系统运行有全局性的影响，要时刻保持着容错备份，维护着高可用性，典型如服务注册中心、配置中心。 有一些设施是天生的单点部件，只能依靠升级机器本身的网络、存储和运算性能来提升处理能力，如位于系统入口的路由、网关或者负载均衡器（它们都可以做集群，但一次网络请求中无可避免至少有一个是单点的部件）、位于请求调用链末端的传统关系数据库等，都是典型的容易形成单点部件。对系统进行流量规划时，我们应该充分理解这些部件的价值差异，有两条简单、普适的原则能指导我们进行设计：第一条原则是尽可能减少单点部件，如果某些单点是无可避免的，则应尽 最大限度减少到达单点部件的流量。在系统中往往会有多个部件能够处理、响应用户请求，譬如要获取一张存储在数据库的用户头像图片，浏览器缓存、内容分发网络、反向代理、Web 服务器、文件服务器、数据库都可能提供这张图片。恰如其分地引导请求分流至最合适的组件中，避免绝大多数流量汇集到单点部件（如数据库），同时依然能够在绝大多数时候保证处理结果的准确性，使单点系统在出现故障时自动而迅速地实施补救措施，这便是系统架构中多级分流的意义。另一条更关键的原则，作为一名架构设计者，你应对多级分流的手段有全面的理解与充分的准备，同时清晰地意识到这些设施并不是越多越好。在实际构建系统时，你应当在有明确需求、真正必要的时候再去考虑部署它们。不是每一个系统都要追求高并发、高可用的，根据系统的用户量、峰值流量和团队本身的技术与运维能力来考虑如何部署这些设施才是合理的做法，在能满足需求的前提下，最简单的系统就是最好的系统。1. 客户端缓存客户端缓存（Client Cache）HTTP 协议的无状态性决定了它必须依靠客户端缓存来解决网络传输效率上的缺陷。浏览器的缓存机制几乎是在万维网刚刚诞生时就已经存在，在 HTTP 协议设计之初，便确定了服务端与客户端之间“无状态”（Stateless）的交互原则，即要求每次请求是独立的，每次请求无法感知也不能依赖另一个请求的存在，这既简化了 HTTP 服务器的设计，也为其水平扩展能力留下了广袤的空间。但无状态并不只有好的一面，由于每次请求都是独立的，服务端不保存此前请求的状态和资源，所以也不可避免地导致其携带有重复的数据，造成网络性能降低。HTTP 协议对此问题的解决方案便是客户端缓存，在 HTTP 从 1.0 到 1.1，再到 2.0 版本的每次演进中，逐步形成了现在被称为“状态缓存”、“强制缓存”（许多资料中简称为“强缓存”）和“协商缓存”的 HTTP 缓存机制。HTTP 缓存中，状态缓存是指不经过服务器，客户端直接根据缓存信息对目标网站的状态判断，以前只有 301/Moved Permanently（永久重定向）这一种；后来在[RFC6797]中增加了[HSTS]（HTTP Strict Transport Security）机制，用于避免依赖 301/302 跳转 HTTPS 时可能产生的降级中间人劫持（详细可见安全架构中的“[传输]”），这也属于另一种状态缓存。由于状态缓存所涉内容只有这么一点，后续我们就只聚焦讨论强制缓存与协商缓存两种机制。1.1. 强制缓存HTTP 的强制缓存对一致性处理的策略就如它的名字一样，十分直接：假设在某个时点到来以前，譬如收到响应后的 10 分钟内，资源的内容和状态一定不会被改变，因此客户端可以无须经过任何请求，在该时点前一直持有和使用该资源的本地缓存副本。根据约定，强制缓存在浏览器的地址输入、页面链接跳转、新开窗口、前进和后退中均可生效，但在用户主动刷新页面时应当自动失效。HTTP 协议中设有以下两类 Header 实现强制缓存。Expires：Expires 是 HTTP/1.0 协议中开始提供的 Header，后面跟随一个截至时间参数。当服务器返回某个资源时带有该 Header 的话，意味着服务器承诺截止时间之前资源不会发生变动，浏览器可直接缓存该数据，不再重新发请求，示例：HTTP/1.1 200 OK
Expires: Wed, 8 Apr 2020 07:28:00 GMT
复制代码Expires 是 HTTP 协议最初版本中提供的缓存机制，设计非常直观易懂，但考虑得并不够周全，它至少存在以下显而易见的问题：受限于客户端的本地时间。譬如，在收到响应后，客户端修改了本地时间，将时间前后调整几分钟，就可能会造成缓存提前失效或超期持有。无法处理涉及到用户身份的私有资源，譬如，某些资源被登录用户缓存在自己的浏览器上是合理的，但如果被代理服务器或者内容分发网络缓存起来，则可能被其他未认证的用户所获取。无法描述“不缓存”的语义。譬如，浏览器为了提高性能，往往会自动在当次会话中缓存某些 MIME 类型的资源，在 HTTP/1.0 的服务器中就缺乏手段强制浏览器不允许缓存某个资源。以前为了实现这类功能，通常不得不使用脚本，或者手工在资源后面增加时间戳（譬如如“xx.js?t=1586359920”、“xx.jpg?t=1586359350”）来保证每次资源都会重新获取。关于“不缓存”的语义，在 HTTP/1.0 中其实预留了“Pragma: no-cache”来表达，但 Pragma 参数在 HTTP/1.0 中并没有确切描述其具体行为，随后就被 HTTP/1.1 中出现过的 Cache-Control 所替代，现在，尽管主流浏览器通常都会支持 Pragma，但行为仍然是不确定的，实际并没有什么使用价值。Cache-Control：Cache-Control 是 HTTP/1.1 协议中定义的强制缓存 Header，它的语义比起 Expires 来说就丰富了很多，如果 Cache-Control 和 Expires 同时存在，并且语义存在冲突（譬如 Expires 与 max-age / s-maxage 冲突）的话，规定必须以 Cache-Control 为准。Cache-Control 的使用示例如下：HTTP/1.1 200 OK
Cache-Control: max-age=600
复制代码Cache-Control 在客户端的请求 Header 或服务器的响应 Header 中都可以存在，它定义了一系列的参数，且允许自行扩展（即不在标准 RFC 协议中，由浏览器自行支持的参数），其标准的参数主要包括有：max-age 和 s-maxage：max-age 后面跟随一个以秒为单位的数字，表明相对于请求时间（在 Date Header 中会注明请求时间）多少秒以内缓存是有效的，资源不需要重新从服务器中获取。相对时间避免了 Expires 中采用的绝对时间可能受客户端时钟影响的问题。s-maxage 中的“s”是“Share”的缩写，意味“共享缓存”的有效时间，即允许被 CDN、代理等持有的缓存有效时间，用于提示 CDN 这类服务器应在何时让缓存失效。public 和 private：指明是否涉及到用户身份的私有资源，如果是 public，则可以被代理、CDN 等缓存，如果是 private，则只能由用户的客户端进行私有缓存。no-cache 和 no-store：no-cache 指明该资源不应该被缓存，哪怕是同一个会话中对同一个 URL 地址的请求，也必须从服务端获取，令强制缓存完全失效，但此时下一节中的协商缓存机制依然是生效的；no-store 不强制会话中相同 URL 资源的重复获取，但禁止浏览器、CDN 等以任何形式保存该资源。no-transform：禁止资源被任何形式地修改。譬如，某些 CDN、透明代理支持自动 GZip 压缩图片或文本，以提升网络性能，而 no-transform 就禁止了这样的行为，它要求 Content-Encoding、Content-Range、Content-Type 均不允许进行任何形式的修改。min-fresh 和 only-if-cached：这两个参数是仅用于客户端的请求 Header。min-fresh 后续跟随一个以秒为单位的数字，用于建议服务器能返回一个不少于该时间的缓存资源（即包含 max-age 且不少于 min-fresh 的数字）。only-if-cached 表示客户端要求不必给它发送资源的具体内容，此时客户端就仅能使用事先缓存的资源来进行响应，若缓存不能命中，就直接返回 503/Service Unavailable 错误。must-revalidate 和 proxy-revalidate：must-revalidate 表示在资源过期后，一定需要从服务器中进行获取，即超过了 max-age 的时间后，就等同于 no-cache 的行为，proxy-revalidate 用于提示代理、CDN 等设备资源过期后的缓存行为，除对象不同外，语义与 must-revalidate 完全一致。1.2. 协商缓存强制缓存是基于时效性的，但无论是人还是服务器，其实多数情况下都并没有什么把握去承诺某项资源多久不会发生变化。另外一种基于变化检测的缓存机制，在一致性上会有比强制缓存更好的表现，但需要一次变化检测的交互开销，性能上就会略差一些，这种基于检测的缓存机制，通常被称为“协商缓存”。另外，应注意 在 HTTP 中协商缓存与强制缓存并没有互斥性，这两套机制是并行工作的，譬如，当强制缓存存在时，直接从强制缓存中返回资源，无须进行变动检查；而当强制缓存超过时效，或者被禁止（no-cache / must-revalidate），协商缓存仍可以正常地工作。协商缓存有两种变动检查机制，分别是根据资源的修改时间进行检查，以及根据资源唯一标识是否发生变化来进行检查，它们都是靠一组成对出现的请求、响应 Header 来实现的：Last-Modified 和 If-Modified-Since：Last-Modified 是服务器的响应 Header，用于告诉客户端这个资源的最后修改时间。对于带有这个 Header 的资源，当客户端需要再次请求时，会通过 If-Modified-Since 把之前收到的资源最后修改时间发送回服务端。如果此时服务端发现资源在该时间后没有被修改过，就只要返回一个 304/Not Modified 的响应即可，无须附带消息体，达到节省流量的目的，如下所示：HTTP/1.1 304 Not Modified
Cache-Control: public, max-age=600
Last-Modified: Wed, 8 Apr 2020 15:31:30 GMT
复制代码如果此时服务端发现资源在该时间之后有变动，就会返回 200/OK 的完整响应，在消息体中包含最新的资源，如下所示：HTTP/1.1 200 OK
Cache-Control: public, max-age=600
Last-Modified: Wed, 8 Apr 2020 15:31:30 GMT

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复制代码Etag 和 If-None-MatchEtag 是服务器的响应 Header，用于告诉客户端这个资源的唯一标识。HTTP 服务器可以根据自己的意愿来选择如何生成这个标识，譬如 Apache 服务器的 Etag 值默认是对文件的索引节点（INode），大小和最后修改时间进行哈希计算后得到的。对于带有这个 Header 的资源，当客户端需要再次请求时，会通过 If-None-Match 把之前收到的资源唯一标识发送回服务端。如果此时服务端计算后发现资源的唯一标识与上传回来的一致，说明资源没有被修改过，就只要返回一个 304/Not Modified 的响应即可，无须附带消息体，达到节省流量的目的，如下所示：HTTP/1.1 304 Not Modified
Cache-Control: public, max-age=600
ETag: "28c3f612-ceb0-4ddc-ae35-791ca840c5fa"
复制代码如果此时服务端发现资源的唯一标识有变动，就会返回 200/OK 的完整响应，在消息体中包含最新的资源，如下所示：HTTP/1.1 200 OK
Cache-Control: public, max-age=600
ETag: "28c3f612-ceb0-4ddc-ae35-791ca840c5fa"

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复制代码Etag 是 HTTP 中一致性最强的缓存机制，譬如，Last-Modified 标注的最后修改只能精确到秒级，如果某些文件在 1 秒钟以内，被修改多次的话，它将不能准确标注文件的修改时间；又或者如果某些文件会被定期生成，可能内容并没有任何变化，但 Last-Modified 却改变了，导致文件无法有效使用缓存，这些情况 Last-Modified 都有可能产生资源一致性问题，只能使用 Etag 解决。Etag 却又是 HTTP 中性能最差的缓存机制，体现在每次请求时，服务端都必须对资源进行哈希计算，这比起简单获取一下修改时间，开销要大了很多。Etag 和 Last-Modified 是允许一起使用的，服务器会优先验证 Etag，在 Etag 一致的情况下，再去对比 Last-Modified，这是为了防止有一些 HTTP 服务器未将文件修改日期纳入哈希范围内。到这里为止，HTTP 的协商缓存机制已经能很好地处理通过 URL 获取单个资源的场景，为什么要强调“单个资源”呢？在 HTTP 协议的设计中，一个 URL 地址是有可能能够提供多份不同版本的资源，譬如，一段文字的不同语言版本，一个文件的不同编码格式版本，一份数据的不同压缩方式版本，等等。因此针对请求的缓存机制，也必须能够提供对应的支持。为此，HTTP 协议设计了以 Accept*（Accept、Accept-Language、Accept-Charset、Accept-Encoding）开头的一套请求 Header 和对应的以 Content-*（Content-Language、Content-Type、Content-Encoding）开头的响应 Header，这些 Headers 被称为 HTTP 的内容协商机制。与之对应的，对于一个 URL 能够获取多个资源的场景中，缓存也同样也需要有明确的标识来获知根据什么内容来对同一个 URL 返回给用户正确的资源。这个就是 Vary Header 的作用，Vary 后面应该跟随一组其他 Header 的名字，譬如：HTTP/1.1 200 OK
Vary: Accept, User-Agent
复制代码以上响应的含义是应该根据 MIME 类型和浏览器类型来缓存资源，获取资源时也需要根据请求 Header 中对应的字段来筛选出适合的资源版本。根据约定，协商缓存 不仅在浏览器的地址输入、页面链接跳转、新开窗口、前进、后退中生效，而且在用户主动刷新页面（F5）时也同样是生效的，只有用户强制刷新（Ctrl+F5）或者明确禁用缓存（譬如在 DevTools 中设定）时才会失效，此时客户端向服务端发出的请求会自动带有“Cache-Control: no-cache”。2. 域名解析域名缓存（DNS Lookup）DNS 也许是全世界最大、使用最频繁的信息查询系统，如果没有适当的分流机制，DNS 将会成为整个网络的瓶颈。域名解析对于大多数信息系统，尤其是对于基于互联网的系统来说是必不可少的组件，却属于没有太高存在感，通常都不会受重点关注的设施，不过 DNS 本身的工作过程，以及它对系统流量能够施加的影响，却还是有许多程序员不太了解；而且 DNS 本身就堪称是示范性的透明多级分流系统，非常符合本章的主题，值得我们去借鉴。无论是使用浏览器抑或是在程序代码中访问某个网址域名，譬如以www.baidu.com为例，如果没有缓存的话，都会先经过 DNS 服务器的解析翻译，找到域名对应的 IP 地址才能开始通信，这项操作是操作系统自动完成的，一般不需要用户程序的介入。不过，DNS 服务器并不是一次性地将“www.baidu.com”直接解析成 IP 地址，需要经历一个递归的过程：客户端先检查本地的 DNS 缓存，查看是否存在并且是存活着的该域名的地址记录。DNS 是以[存活时间]Time_to_live)（Time to Live，TTL）来衡量缓存的有效情况的，所以，如果某个域名改变了 IP 地址，DNS 服务器并没有任何机制去通知缓存了该地址的机器去更新或者失效掉缓存，只能依靠 TTL 超期后的重新获取来保证一致性。后续每一级 DNS 查询的过程都会有类似的缓存查询操作，再遇到时笔者就不重复叙述了。客户端将地址发送给本机操作系统中配置的本地 DNS（Local DNS），这个本地 DNS 服务器可以由用户手工设置，也可以在 DHCP 分配时或者在拨号时从 PPP 服务器中自动获取到。本地 DNS 收到查询请求后，会按照“是否有www.baidu.com的权威服务器”→“是否有baidu.com的权威服务器”→“是否有com的权威服务器”的顺序，依次查询自己的地址记录，如果都没有查询到，就会一直找到最后点号代表的根域名服务器为止。这个步骤里涉及了两个重要名词：权威域名服务器（Authoritative DNS）：是指负责翻译特定域名的 DNS 服务器，“权威”意味着这个域名应该翻译出怎样的结果是由它来决定的。DNS 翻译域名时无需像查电话本一样刻板地一对一翻译，根据来访机器、网络链路、服务内容等各种信息，可以玩出很多花样，权威 DNS 的灵活应用，在后面的内容分发网络、服务发现等章节都还会有所涉及。根域名服务器（Root DNS）是指固定的、无需查询的[顶级域名]（Top-Level Domain）服务器，可以默认为它们已内置在操作系统代码之中。全世界一共有 13 组根域名服务器（注意并不是 13 台，每一组根域名都通过[任播]的方式建立了一大群镜像，根据维基百科的数据，迄今已经超过 1000 台根域名服务器的镜像了）。13 这个数字是由于 DNS 主要采用 UDP 传输协议（在需要稳定性保证的时候也可以采用 TCP）来进行数据交换，未分片的 UDP 数据包在 IPv4 下最大有效值为 512 字节，最多可以存放 13 组地址记录，由此而来的限制。现在假设本地 DNS 是全新的，上面不存在任何域名的权威服务器记录，所以当 DNS 查询请求按步骤 3 的顺序一直查到根域名服务器之后，它将会得到“com的权威服务器”的地址记录，得到“baidu.com的权威服务器”的地址记录，以此类推，最后找到能够解释www.baidu.com的权威服务器地址。通过“www.baidu.com的权威服务器”，查询www.baidu.com的地址记录，地址记录并不一定就是指 IP 地址，在 RFC 规范中有定义的地址记录类型已经[多达数十种]，譬如 IPv4 下的 IP 地址为 A 记录，IPv6 下的 AAAA 记录、主机别名 CNAME 记录，等等。前面提到过，每种记录类型中还可以包括多条记录，以一个域名下配置多条不同的 A 记录为例，此时权威服务器可以根据自己的策略来进行选择，典型的应用是智能线路：根据访问者所处的不同地区（譬如华北、华南、东北）、不同服务商（譬如电信、联通、移动）等因素来确定返回最合适的 A 记录，将访问者路由到最合适的数据中心，达到智能加速的目的。DNS 系统多级分流的设计使得 DNS 系统能够经受住全球网络流量不间断的冲击，但也并非全无缺点。典型的问题是响应速度，当极端情况（各级服务器均无缓存）下的域名解析可能导致每个域名都必须递归多次才能查询到结果，显著影响传输的响应速度，专门有一种被称为“[DNS 预取]”（DNS Prefetching）的前端优化手段用来避免这类问题：如果网站后续要使用来自于其他域的资源，那就在网页加载时生成一个 link 请求，促使浏览器提前对该域名进行预解释。而另一种可能更严重的缺陷是 DNS 的分级查询意味着每一级都有可能受到中间人攻击的威胁，产生被劫持的风险。要攻陷位于递归链条顶层的（譬如根域名服务器，cn 权威服务器）服务器和链路是非常困难的，它们都有很专业的安全防护措施。但很多位于递归链底层或者来自本地运营商的 Local DNS 服务器的安全防护则相对松懈，甚至不少地区的运营商自己就会主动进行劫持，专门返回一个错的 IP，通过在这个 IP 上代理用户请求，以便给特定类型的资源（主要是 HTML）注入广告，以此牟利。