Was ist ein DNS-Stammserver?

Wenn Sie eine Website-Adresse in Ihren Browser eingeben, muss Ihr Computer die entsprechende IP-Adresse für die Verbindung finden. Dieser Prozess beginnt mit einer Anfrage an einen DNS-Resolver, der in der Regel von Ihrem Internetdienstanbieter ausgeführt wird. Wenn der Konfliktlöser die Antwort nicht zwischengespeichert hat, kontaktiert er einen Stammserver.

Der Root-Server kennt die genaue Adresse der gesuchten Website nicht, weiß aber, welcher Server für die TLD dieser Adresse verantwortlich ist.

Anschließend wird der Resolver an den entsprechenden Top-Level-Domain-Server (TLD) weitergeleitet. Von dort aus wird der Konfliktlöser durch die DNS-Hierarchie geleitet und erreicht schließlich den autoritativen Namensserver, auf dem sich die eigentliche IP-Adresse der Website befindet.

Bedeutung von DNS-Stammservern

Ohne DNS-Root-Server würde das Netz nicht so funktionieren, wie wir es kennen. Sie dienen als erste Anlaufstelle für die Beantwortung von Anfragen nach Domainnamen und sind unerlässlich für die Aufrechterhaltung der Struktur und Funktionalität des globalen DNS-Systems.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DNS-Root-Server das Backbone der Internetnavigation bilden, indem sie Resolver durch die hierarchische Struktur von DNS leiten. Sie ermöglichen es den Nutzern, auf Websites zuzugreifen, indem Domainnamen effizient und zuverlässig in IP-Adressen übersetzt werden.

Hier wird es schwierig. Es wird zwar häufig behauptet, dass es 13 DNS-Root-Server gibt, die Realität ist jedoch differenzierter.

Aus technischer Sicht verfügt die Zone über 13 benannte Behörden, die mit den Buchstaben A bis M gekennzeichnet sind. Jede Behörde ist jedoch kein einzelner Server, sondern ein Netzwerk aus global verteilten Servern. Dies ist für Redundanz und Resilienz entscheidend. Fällt ein Server aus, können andere den Puffer übernehmen und so die Stabilität des Servers gewährleisten.

Wie viele physische Server gibt es? Im November 2024 gab es über 1750 Instanzen von Root-Servern auf der ganzen Welt, die von 12 unabhängigen Organisationen betrieben wurden. Diese Zahl entwickelt sich ständig weiter, wenn Unternehmen ihre Infrastrukturen erweitern oder aufrüsten.

Warum nur 13 benannte Behörden?

Diese Einschränkung ist auf das ursprüngliche Design des DNS-Protokolls und die Größenbeschränkungen von IPv4-Paketen zurückzuführen. Jeder Autorität wurde zunächst eine einzelne IPv4-Adresse zugewiesen, und das Protokoll konnte nur eine begrenzte Spezifikation innerhalb eines einzigen Pakets verarbeiten.

Mit dem Aufkommen von IPv6 ist diese Einschränkung jedoch weniger relevant. Jeder Root-Server hat jetzt sowohl v4- als auch v6-Adressen, was mehr Flexibilität und zukünftige Erweiterungen ermöglicht.

Obwohl die Zahl „13“ häufig mit DNS-Root-Servern in Verbindung gebracht wird, ist es wichtig, daran zu denken, dass sie benannte Autoritäten und keine einzelnen Computer darstellt. Die tatsächliche Anzahl physischer Server ist wesentlich höher und nimmt ständig zu, um die Stabilität und Resilienz der Internet-Infrastruktur zu gewährleisten.

Wer verwaltet und betreibt DNS-Stammserver?

Die Verwaltung und der Betrieb von Root-DNS-Servern ist eine Gemeinschaftsarbeit, an der mehrere Organisationen mit unterschiedlichen Rollen beteiligt sind. Hier eine Aufschlüsselung der Hauptakteure.

IANA spielt eine entscheidende Rolle bei der Koordination der DNS-Stammzone und ist für die Pflege der Stammzonendatei verantwortlich, die Daten über alle Domänen der obersten Ebene und die entsprechenden autoritativen Namenserver enthält.

IANA überwacht Änderungen an der Stammzone, und alle Ergänzungen oder Änderungen an der Stammzone, wie das Hinzufügen neuer TLDs, müssen von IANA genehmigt und implementiert werden. Die IANA weist die 13 benannten Behörden verschiedenen Organisationen zu, die für den Betrieb der Root-Server-Instanzen zuständig sind.

Zwölf unabhängige Organisationen betreiben die physischen Maschinen, aus denen sich die 13 benannten Behörden zusammensetzen. Zu diesen Organisationen gehören:

• Verisign: Betreibt zwei Server-Autoritäten (A und J).
• University of Southern California - Information Sciences Institute (USC-ISI): Betreibt den B-Server.
• Content Communications: Betreibt den C Server.
• University of Maryland: Arbeitet mit dem D-Server.
• NASA (Ames Research Center): Betreibt den E-Root-Server.
• Internet Systems Consortium (ISC): Betreibt den F-Server.
• US-Verteidigungsministerium (NIC): Betreibt den G-Server.
• US Army (Forschungslabor): Betreibt den H-Server.
• NetNode: Betreibt den I-Server.
• RIPE NCC: Betreibt den K Server.
• ICANN: Betreibt den L-Server.
• BREITES Projekt: Betreibt den M-Server.

Diese Organisationen sind für Folgendes verantwortlich:

• Bereitstellung und Wartung der physischen Server: Sicherstellen, dass die Rechner sicher und zuverlässig sind und über ausreichende Kapazitäten zur Bearbeitung von DNS-Abfragen verfügen.
   
• Anycast-Routing implementieren: Diese Technik ermöglicht es mehreren Maschinen an verschiedenen Standorten, dieselbe IP-Adresse zu nutzen, um Traffic zu verteilen und die Redundanz zu erhöhen.
   
• Zusammenarbeit mit der IANA und anderen Akteuren: Gewährleistung eines reibungslosen und stabilen Betriebs des globalen DNS-Root-Systems.

Der Betrieb der DNS-Server fällt in die gemeinsame Zuständigkeit der IANA, die die Root-Zone überwacht, und von zwölf unabhängigen Organisationen, die die physische Serverinfrastruktur verwalten. Dieser dezentrale Ansatz gewährleistet die Stabilität und Resilienz dieser kritischen Komponente.

1. Wurzelhinweisdatei

Die meisten DNS-Auflöser sind mit einer „Root-Hints-Datei“ vorkonfiguriert. Diese Datei enthält eine Liste der 13 benannten Autoritäten für die Stammzone und die entsprechenden IP-Adressen. Man stelle sich das als integriertes Adressbuch für das Verzeichnis auf höchster Ebene im Internet vor.

Dies übernimmt in der Regel der Entwickler der Resolver-Software oder der Dienstanbieter. Es gibt dem Konfliktlöser einen Ausgangspunkt für jeden DNS-Lookup, für den eine Verbindung mit einem Stammserver erforderlich ist.

2. Vorbereitung und Aktualisierung

Obwohl die Datei mit den Stammhinweisen anfängliche Informationen enthält, ist es wichtig, sie auf dem neuesten Stand zu halten. Die Root-IP-Adressen können sich ändern, und dem Netzwerk können neue Computer hinzugefügt werden.

Um die Genauigkeit sicherzustellen, führen Resolver einen Prozess aus, der als „Priming“ (Priming) bezeichnet wird. Wenn ein Prozess gestartet wird, kontaktiert er einen der Computer, die in der Hints-Datei aufgeführt sind, und fordert die aktuelle Root-Zonendatei an. Diese Datei enthält die aktuellsten Informationen über alle Stammserver.

Der Konfliktlöser vergleicht diese Informationen mit der vorhandenen Hints-Datei und aktualisiert sie entsprechend. Dadurch wird sichergestellt, dass der Prozess immer über die richtigen Adressen für die Stammserver verfügt.

3. Anycast-Routing

Ein weiterer Faktor, der die Suche nach Root-Servern vereinfacht, ist Anycast-Routing. Wie bereits erwähnt, ist jede benannte Behörde ein Netzwerk aus global verteilten Computern. Anycast ermöglicht es diesen Servern, dieselbe IP-Adresse gemeinsam zu nutzen.

Wenn ein Resolver eine Anforderung an die IP-Adresse eines Stammservers sendet, leitet die Routing-Infrastruktur des Internets die Anforderung automatisch an den nächstgelegenen verfügbaren Server weiter. Dies verbessert die Leistung durch geringere Latenzen und erhöht die Resilienz durch die Bereitstellung mehrerer Zugriffspunkte.

DNS-Resolver finden Stammserver also durch eine Kombination aus vorkonfigurierten Hints-Dateien, dynamischen Updates aus der Zonendatei und Anycast-Routing. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Resolver die Root-Server effizient und zuverlässig lokalisieren können, die für die Navigation in der riesigen Landschaft des Internets unerlässlich sind.

DNS-Einträge sind wie einzelne Einträge im umfangreichen Telefonbuch des Internets, die jeweils spezifische Informationen über eine Domain bereitstellen. Es gibt verschiedene Arten von DNS-Einträgen, die jeweils einen anderen Zweck erfüllen.

So ordnen Datensätze beispielsweise einen Namen der entsprechenden IPv4-Adresse zu, während AAAA-Datensätze dasselbe für IPv6-Adressen tun. CNAME-Datensätze hingegen erstellen Aliase, sodass ein Name auf einen anderen verweist. MX ist unerlässlich für die E-Mail-Kommunikation, da sie die Mail-Maschinen spezifizieren, die für die Bearbeitung von E-Mails für eine bestimmte Domain verantwortlich sind. 

NS-Datensätze identifizieren die autoritativen Namenserver, auf denen die vollständigen DNS-Informationen einer Domain gespeichert sind, während TXT-Datensätze verschiedene Arten von Textdaten speichern können, die häufig für die E-Mail-Sicherheit oder -Verifizierung verwendet werden.

Stammcomputer speichern diese einzelnen Einträge zwar nicht, sie sind jedoch von entscheidender Bedeutung, um Resolver an den richtigen Speicherort zu leiten, um sie zu finden.

Wenn ein Computer einen Stammcomputer nach einer Domäne abfragt, antwortet der Stammserver mit der Adresse des entsprechenden Top-Level-Servers (TLD). Der Konfliktlöser setzt dann seine Suche in der DNS-Hierarchie fort und erreicht schließlich den autoritativen Namensserver, auf dem der spezifische DNS für die Domain gespeichert ist.

Aufgrund ihrer wichtigen Rolle in der Netzwerkinfrastruktur sind DNS-Root-Server attraktive Ziele für böswillige Akteure. Um sie zu schützen, wird ein mehrschichtiger Sicherheitsansatz angewandt.

DNSSEC (Domain Name System Security Extensions) ist eine wichtige Technologie, die DNS-Einträgen digitale Signaturen hinzufügt. So können Resolver die Authentizität und Integrität der Daten überprüfen und Angriffe wie DNS-Spoofing verhindern, bei denen Angreifer versuchen, Benutzer auf gefälschte Websites umzuleiten.

Das Anycast-Routing erhöht die Sicherheit, da der Traffic über mehrere Maschinen mit derselben IP-Adresse verteilt wird. Angreifer können so nur schwer einen einzelnen Ausfallpunkt erreichen. 

Root-Server-Betreiber setzen außerdem robuste Maßnahmen zur Abwehr von Distributed-Denial-of-Service-Angriffen (DDoS) um, die darauf abzielen, Maschinen mit einer Flut von Traffic zu überlasten.  Darüber hinaus ist die physische Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Die Infrastruktur muss in gesicherten Einrichtungen untergebracht sein, die Zugangsbeschränkungen und strenge physische Schutzmaßnahmen aufweisen.

Die Stabilität und Sicherheit von DNS-Root-Servern hat weitreichende Auswirkungen auf das Internet-Ökosystem. Fällt eine erhebliche Anzahl von Root-Servern aus, könnte der Internetzugang massiv gestört werden.

Websites können unzugänglich werden, die E-Mail-Kommunikation könnte gestört werden, und Online-Dienste könnten weit verbreitete Ausfälle erleiden. Der verteilte Charakter von Root-Servern in Kombination mit Anycast-Routing bietet jedoch einen hohen Grad an Redundanz, wodurch das Risiko eines vollständigen Ausfalls minimiert wird. 

Die Verwaltung der Stammzone, die von Organisationen wie der ICANN überwacht wird, hat ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die Regierungsführung. Entscheidungen über das Hinzufügen neuer TLDs oder den Wechsel des Root-Servers können sich auf Themen wie Netzfreiheit, Zensur und internationale Zusammenarbeit auswirken.

Die Gewährleistung der Neutralität und Stabilität der Root-Zone ist für die Aufrechterhaltung eines freien und offenen Internets unerlässlich.

Zukünftig bergen neue Technologien wie blockchain-basiertes DNS und dezentrale Alternativen das Potenzial, die Zukunft der Root-Server neu zu gestalten. Diese Innovationen könnten zu einer robusteren, sichereren und demokratischeren Internetinfrastruktur führen, auch wenn die Herausforderungen in Bezug auf die weitverbreitete Einführung, Skalierbarkeit und Kompatibilität mit bestehenden Systemen weiterhin bestehen.