Wat is een DNS Root Server?

Wanneer u een websiteadres in uw browser typt, moet uw computer het bijbehorende IP-adres vinden om verbinding te kunnen maken. Dit proces begint met een verzoek aan een DNS resolver, meestal beheerd door uw internet service provider. Als het antwoord niet in de cache van de resolver is opgeslagen, wordt contact opgenomen met een hoofdserver.

De hoofdserver weet niet precies het adres van de website die u zoekt, maar weet welke server verantwoordelijk is voor het TLD van dat adres.

Vervolgens wordt de resolver omgeleid naar de juiste TLD-server (Top-Level Domain). Van daaruit wordt de resolver naar de DNS-hiërarchie geleid, om uiteindelijk de gezaghebbende naamserver te bereiken die het werkelijke IP-adres van de website bevat.

Belang van DNS Root Servers

Zonder DNS root servers, zou het net niet functioneren zoals we het kennen. Ze fungeren als het eerste aanspreekpunt voor het oplossen van domeinnaamquery's en zijn onmisbaar om de structuur en functionaliteit van het wereldwijde DNS-systeem te behouden.

Samengevat vormen DNS-basisservers de ruggengraat van internetnavigatie door resolvers door de hiërarchische structuur van DNS te leiden. Uiteindelijk krijgen gebruikers toegang tot websites door domeinnamen efficiënt en betrouwbaar naar IP-adressen te vertalen.

Hier wordt het een beetje lastig. Hoewel het vaak wordt gezegd dat er 13 DNS-root-servers zijn, is de realiteit genuanceerder.

Technisch gezien telt de zone 13 benoemde autoriteiten, aangeduid met de letters A tot en met M. Elke overheid is echter niet een enkele server, maar een netwerk van servers die over de hele wereld verdeeld zijn. Dit is essentieel voor redundantie en resilience. Als de ene server down gaat, kunnen anderen de slapte oppakken, zodat deze stabiel blijft.

Hoeveel fysieke servers zijn er? In november 2024 waren er meer dan 1750 instances van root servers verspreid over de hele wereld, die door 12 onafhankelijke organisaties geëxploiteerd worden. Dit aantal verandert voortdurend naarmate organisaties hun infrastructuur toevoegen of upgraden.

Waarom slechts 13 benoemde autoriteiten?

Deze beperking is het gevolg van het originele ontwerp van het DNS-protocol en de beperkingen van de grootte van IPv4-packs. Elke instantie kreeg in eerste instantie één IPv4-adres toegewezen en het protocol kon slechts een beperkte specificatie binnen één pakket verwerken.

Met de komst van IPv6 is deze beperking echter minder relevant. Elke root server heeft nu zowel v4 als v6 adressen, wat meer flexibiliteit en toekomstige uitbreiding mogelijk maakt.

Hoewel het getal "13" vaak wordt geassocieerd met DNS-hoofdservers, is het belangrijk om te onthouden dat het benoemde autoriteiten vertegenwoordigt, niet individuele machines. Het werkelijke aantal fysieke servers is veel hoger en neemt voortdurend toe om de stabiliteit en resilience van de infrastructuur van het internet te garanderen.

Wie beheert en exploiteert DNS Root Servers?

Het beheer en de exploitatie van root- DNS-servers is een gezamenlijke inspanning waarbij meerdere organisaties met verschillende rollen betrokken zijn. Hier is een overzicht van de belangrijkste spelers.

IANA speelt een cruciale rol in het coördineren van de DNS-root zone en is verantwoordelijk voor het onderhouden van het root zone bestand, dat gegevens bevat over alle top-level domeinen en hun bijbehorende gezaghebbende naamservers.

IANA houdt toezicht op wijzigingen in de hoofdzone en eventuele toevoegingen of wijzigingen aan de hoofdzone, zoals het toevoegen van nieuwe TLD's, moeten door IANA worden goedgekeurd en geïmplementeerd. IANA wijst de 13 genoemde autoriteiten toe aan verschillende organisaties die verantwoordelijk zijn voor het beheren van de root server instances.

Twaalf onafhankelijke organisaties exploiteren de fysieke machines die samen de 13 genoemde autoriteiten vormen. Deze organisaties omvatten:

• Verisign: Bestuurt twee server-instanties (A en J).
• University of Southern California - Information Sciences Institute (USC-ISI): Beheert de B-server.
• Cogent Communications: Beheert de C-server.
• Universiteit van Maryland: Beheert de D-server.
• NASA (Ames Research Center): Hiermee wordt de E-hoofdserver gebruikt.
• Internet Systems Consortium (ISC): Werkt met de F-server.
• US Department of Defense (NIC): Beheert de G-server.
• US Army (Research Lab): Beheert de H-server.
• Netnode: Beheert de IP-server.
• RIPE NCC: Beheert de K-server.
• ICANN: Beheert de L-server.
• WIDE Project: Beheert de M-server.

Deze organisaties zijn verantwoordelijk voor:

• Implementatie en onderhoud van de fysieke servers: Ervoor zorgen dat de machines veilig en betrouwbaar zijn en voldoende capaciteit hebben om DNS-query's te verwerken.
   
• Anycast routing implementeren: Deze techniek maakt het mogelijk voor meerdere machines op verschillende locaties om hetzelfde IP-adres te delen, om dataverkeer te verdelen en de redundantie te verhogen.
   
• Samenwerken met IANA en andere operators: Om een soepele en stabiele werking van het wereldwijde DNS-hoofdsysteem te garanderen.

De werking van DNS-servers is een gedeelde verantwoordelijkheid tussen IANA, dat toezicht houdt op de root-zone, en twaalf onafhankelijke organisaties die de fysieke server-infrastructuur beheren. Deze gedecentraliseerde aanpak garandeert de stabiliteit en veerkracht van deze kritische component.

1. Root Hints-bestand

De meeste DNS resolvers zijn vooraf geconfigureerd met een "root hints file". Dit bestand bevat een lijst met de 13 benoemde instanties voor de hoofdzone en de bijbehorende IP-adressen. Zie het als een ingebouwd adresboek voor de topleveldirectory van het internet.

Dit wordt meestal geleverd door de ontwikkelaar van de omzettingssoftware of de serviceprovider. Het geeft de resolver een startpunt voor elke DNS-lookup die contact vereist met een root-server.

2. Voorbereiden en bijwerken

Hoewel het bestand met hoofdhints initiële informatie biedt, is het essentieel om het up-to-date te houden. De IP-adressen van de hoofdmap kunnen worden gewijzigd en er kunnen nieuwe computers aan het netwerk worden toegevoegd.

Om de nauwkeurigheid te garanderen, voeren resolvers een proces uit dat "priming" wordt genoemd. Wanneer een proces wordt gestart, neemt het contact op met een van de machines in het bijbehorende hintbestand en vraagt het het huidige hoofdzonebestand aan. Dit bestand bevat de meest recente informatie over alle root servers.

De resolver vergelijkt deze informatie vervolgens met het bestaande hintbestand en werkt het dienovereenkomstig bij. Dit zorgt ervoor dat het proces altijd de juiste adressen voor de root servers heeft.

3. Anycast routing

Een andere factor die het vinden van root servers vereenvoudigt, is de anycast routing. Zoals eerder vermeld, is elke genoemde autoriteit een netwerk van machines die wereldwijd zijn gedistribueerd. Met Anycast kunnen deze servers hetzelfde IP-adres delen.

Wanneer een resolver een verzoek naar het IP-adres van een root server stuurt, leidt de routing infrastructuur van het internet het verzoek automatisch naar de dichtstbijzijnde beschikbare server. Dit verbetert de prestaties door de latency te verlagen en verbetert de resilience door meerdere toegangspunten te bieden.

Dus DNS resolvers vinden root servers middels een combinatie van vooraf geconfigureerde hints, dynamische updates van het zone bestand en anycast routing. Dit zorgt ervoor dat resolvers de root servers efficiënt en betrouwbaar kunnen lokaliseren, wat essentieel is om door het uitgestrekte landschap van het internet te navigeren.

DNS-records zijn vergelijkbaar met afzonderlijke vermeldingen in het grote internettelefoonboek, die elk specifieke informatie over een domein bevatten. Er zijn verschillende typen DNS-records, die elk een ander doel dienen.

Records wijzen bijvoorbeeld een naam toe aan het bijbehorende IPv4-adres, terwijl AAAA-records hetzelfde doen voor IPv6-adressen. Aan de andere kant maken CNAME records aliassen, waardoor de ene naam naar de andere kan wijzen. MX is essentieel voor e-mail communicatie, omdat ze de mail machines die verantwoordelijk zijn voor de behandeling van e-mails voor een bepaald domein specificeren. 

NS-records identificeren de gezaghebbende naamservers die de volledige DNS-gegevens van een domein bevatten, terwijl TXT-records verschillende typen tekstgegevens kunnen opslaan, die vaak worden gebruikt voor e-mailbeveiliging of verificatie.

Hoewel deze afzonderlijke items niet worden opgeslagen op hoofdcomputers, zijn ze van cruciaal belang om resolvers naar de juiste locatie te leiden om ze te vinden.

Wanneer een machine een hoofdcomputer voor een domein opvraagt, reageert de hoofdserver met het adres van de juiste TLD-server (Top-Level). De resolver gaat dan verder met zoeken in de DNS-hiërarchie en bereikt uiteindelijk de gezaghebbende naamserver waar de specifieke DNS voor het domein is opgeslagen.

Gezien hun vitale rol in de netinfrastructuur zijn DNS root servers aantrekkelijke doelwitten voor kwaadwillenden. Om deze te beschermen, wordt een gelaagde benadering van beveiliging toegepast.

DNSSEC, of Domain Name System Security Extensions, is een cruciale technologie die digitale handtekeningen toevoegt aan DNS-records. Hierdoor kunnen resolvers de authenticiteit en integriteit van de gegevens verifiëren en aanvallen zoals DNS-spoofing voorkomen, waarbij aanvallers proberen om gebruikers naar nepwebsites te leiden.

Anycast-routering verbetert de beveiliging verder door het verkeer over meerdere machines met hetzelfde IP-adres te verdelen, waardoor het moeilijker wordt voor aanvallers om zich op één enkel foutenpunt te richten. 

Root server operators implementeren ook robuuste maatregelen om Distributed Denial of Service (DDoS) aanvallen af te slaan, die als doel hebben machines te overspoelen met een stroom van verkeer.  Bovendien is fysieke beveiliging van het grootste belang, waarbij de infrastructuur is ondergebracht in beveiligde faciliteiten met beperkte toegang en strenge fysieke beschermingsmaatregelen.

De stabiliteit en veiligheid van DNS-root servers hebben verreikende gevolgen voor het netto-ecosysteem. Als een aanzienlijk aantal root servers uitvalt, kan de toegang tot het internet enorm worden verstoord.

Websites kunnen ontoegankelijk worden, e-mailcommunicatie kan worden verstoord en online services kunnen op grote schaal uitvallen ondervinden. De gedistribueerde aard van root-servers, in combinatie met anycast-routing, zorgt echter voor een hoge mate van redundantie en minimaliseert zo het risico van volledig falen. 

Het beheer van de root zone, onder toezicht van organisaties als ICANN, heeft ook belangrijke implicaties voor het bestuur. Beslissingen over het toevoegen van nieuwe TLD's of het veranderen van root server operators kunnen van invloed zijn op zaken als internetvrijheid, censuur en internationale samenwerking.

Het waarborgen van de neutraliteit en stabiliteit van de root zone is essentieel voor het behoud van een vrij en open internet.

Vooruitblikkend houden opkomende technologieën zoals op blockchain gebaseerde DNS en gedecentraliseerde alternatieven het potentieel in om de toekomst van root-servers opnieuw vorm te geven. Deze innovaties kunnen leiden tot een veerkrachtigere, veiligere en democratische internetinfrastructuur, hoewel er nog steeds uitdagingen zijn op het gebied van wijdverbreide acceptatie, schaalbaarheid en compatibiliteit met bestaande systemen.