Máy trạm gửi bản tin truy vấn tên miền đến máy chủ DNS đã được đăng ký trong phần cấu hình địa chỉ IP, trong bản tin chứa tên miền cần xác định địa chỉ IP. Sau một khoảng thời gian nào đó – từ vài phần nghìn giây đến vài chục giây, máy trạm nhận được bản tin trả lời của DNS chứa địa chỉ IP cần xác định. Vì vậy, với máy khách thì DNS là một dịch vụ xác định IP đơn giản và dễ hiểu. Nhưng triển khai dịch vụ đó thực sự rất phức tạp, bao gồm nhiều máy chủ tên miền đặt khắp nơi trên thế giới và một giao thức ở tầng ứng dụng xác định cách thức trao đổi thông tin giữa các máy chủ tên miền.
Để triển khai DNS, người ta có thể đưa ra một kiến trúc đơn giản sau: có một máy chủ chứa tất cả các ánh xạ tên và địa chỉ IP. Theo thiết kế tập trung này, máy khách chỉ cần gửi tất cả các truy vấn tới máy chủ duy nhất và máy chủ này sẽ trực tiếp trả lời mọi truy vấn. Mặc dù tính đơn giản của thiết kế này rất hấp dẫn nhưng nó hoàn toàn không thích hợp cho mạng Intemet với số lượng lớn và ngày càng tăng các máy tính. Thiết kể tập trung như vậy nẩy sinh một số vấn đề sau:
- Điểm hỏng duy nhất: nếu máy chủ tên miền duy nhất ngừng làmviệc cũng có nghĩa là toàn bộ mạng Internet ngừng hoạt động.
- Khối lượng xử lý lớn: một máy chủ tên miền duy nhất phải xử lý tất cả các truy vấn DNS (cho tất cả các bản tin yêu cầu từ hàng tỉ máy tính trên toàn cầu).
- Cơ sở dữ liệu tập trung ở xa: máy chủ tên miền duy nhất không thể gần tất cả các máy khách. Nếu máy chủ tên miền đặt ở Hoa Kỳ thì tất cả truy vấn từ các nước khác phải chuyển tới phía bên kia trái đất và có thể qua một đường kết nối chậm và tắc nghẽn. Hậu quả là các ứng dụng phải chịu độ trễ rất lớn.
- Bảo trì: máy chủ tên miền phải ghi nhớ thông tin về tất cả các tên miền trên mạng Intemet. Khi đó cơ sở dữ liệu sẽ rất lớn và máy chủ tên miền phải cập nhật thường xuyên thông tin cho mọi tên miền mới, đồng thời phải giải quyết
các vấn đề kiểm chứng và xác nhận khi người dùng sử dụng cơ sở dữ liệu tập trung.
Như vậy, một cơ sở dữ liệu tập trung trên một máy chủ tên miền duy nhất không phù hợp khi quy mô hệ thống lớn. Do đó, hệ thống máy chủ têm miền được thiết kế phân tán, đó là một ví dụ điển hình về triển khai cơ sở dữ liệu phân tán trên mạng Internet. Để giải quyết vấn đề quy mô mạng , DNS sử dụng nhiều máy chủ tên miền tổ chức phân cấp và phân tán trên toàn cầu. Không có máy chủ tên miền nào chứa tất cả tên và địa chỉ IP các tên miền trên mạng Internet, những thông tin này được phân tán trên nhiều máy chủ tên miền. Có ba loại máy chủ tên miền: máy chủ tên miền cục bộ, máy chủ tên miền gốc và máy chủ tên miền ủy quyền. Các máy chủ tên miền đó trao đổi thông tin với nhau và với các máy tính khác.
Máy chủ tên miền cục bộ:
Mỗi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) đều có máy chủ tên miền cục bộ (còn được gọi là máy chủ tên miền mặc định). Khi máy tính trong cơ quan tạo ra một bản tin truy vấn DNS thì đầu tiên bản tin đó được gửi tới máy chủ tên miền đó. Địa chỉ IP của máy chủ tên miền cục bộ phải được cấu hình trong máy tính của người sử dụng (trong máy tính chạy hệ điều hành windows, gõ lệnh ipconfig /all). Loại máy chủ tên miền thường gần với máy trạm, trong trường hợp tại cơ quan của một tổ chức, nó có thể ở trên cùng mạng nội bộ. Với các ISP thì khoảng cách giữa máy chủ tên miền và các máy tính của người sử dụng chỉ là vài thiết bị định tuyến. Nếu máy tính yêu cầu xác định địa chỉ của một máy tính khác trong cùng một ISP thì máy chủ tên miền cục bộ có thể ngay lập tức xác định được địa chi IP mà không phải liên hệ với bất kỳ máy chủ tên miền nào khác.
Máy chủ tên miền gốc:
Trên mạng Intemet có 13 máy chủ tên miền gốc, hầu hết đặt tại Bắc Mỹ. Khi máy chủ tên miền cục bộ không có thông tin về tên miền được yêu cầu thì máy chủ tên miền cục bộ sẽ đóng vai trò máy khách DNS và gửi câu hỏi truy vấn tới một trong số các máy chủ tên miền gốc. Nếu máy chủ tên miền gốc có thông tin của tên miền được hỏi, nó sẽ gửi một bản tin trả lời đến máy chủ tên miền cục bộ và sau đó thông tin này được máy chủ tên miền cục bộ gửi trả lời cho máy trạm đã yêu cầu. Nếu máy chủ tên miền gốc không có thông tin tên miền đó, nó sẽ tìm kiếm thông tin về máy chủ tên miền quản lý tên miền đã yêu cầu.
Máy chủ tên miền ủy quyền:
Mỗi máy tính phải đăng ký tới một máy chủ tên miền ủy quyền. Thông thường máy chủ tên miền ủy quyền một máy tính là một máy chủ tên miền trong miền ISP của máy tính đó (thực tế mỗi máy tính phải có ít nhất hai máy chủ tên miền ủy quyền để đề phòng trường hợp một máy chủ tên miền bị hỏng). Có thể định nghĩa, máy chủ tên miền ủy quyền của một máy tính là máy chủ tên miền luôn lưu trữ bản ghi DNS cho phép xác định địa chỉ IP của máy tính đó từ tên. Khi máy chủ tên miền ủy quyền nhận được truy vấn từ máy chủ tên miền gốc,
nó sẽ gửi một bản tin DNS trả lời chứa ánh xạ được yêu cầu. Sau đó, máy chủ tên miền gốc gửi ánh xạ đó tới máy chủ và máy chủ tên miền cục bộ lại tiếp tục gửi ánh xạ đó tới máy tính yêu cầu. Nhiều máy chủ tên miền vừa là máy chủ tên miền cục bộ vừa là máy chủ tên miền ủy quyền.
Xét ví dụ đơn giản sau. Giả sử trạm muốn có địa chỉ IP của máy tính tên miền là www.yahoo.com, giả sử máy chủ gốc của miền là opendns.com và máy chủ tên miền ủy quyền của www.yahoo.com là dns.yahoo.com. Đầu tiên máy trạm gửi một bản tin truy vấn tới máy chủ tên miền cục bộ dns.vnn.vn. Bản tin đó chứa tên miền www.yahoo.com cần xác định địa chỉ IP. Máy chủ tên miền cục bộ không chứa bản ghi tên miền www.yahoo.com, do đó nó gửi bản tin tới máy chủ tên miền gốc, nhưng nó phân tích phần đuôi của tên miền là .com do đó nó gửi tới máy chủ tên miền gốc chuyên quản lý các tên miền có phần đuôi là .com, trong trường hợp này nó gửi đến máy chủ opendns.com. Máy chủ tên miền opendns.com không chứa bản ghi về tên miền www.yahoo.com
nhưng lại chứa địa chỉ IP của máy chủ tên miền ủy quyền dns.yahoo.com của tên miền www.yahoo.com, vì vậy nó trả về địa chỉ IP của máy chủ dns.yahoo.com cho máy chủ tên miền cục bộ dns.vnn.vn. Nhận được địa chỉ IP này, máy chủ tên miền dns.vnn.vn gửi tiếp bản tin đến máy chủ dns.yahoo.com để yêu cầu cung cấp địa chỉ IP của tên miền www.yahoo.com, tại đây máy chủ tên miền dns.yahoo.com có chứa địa chỉ IP của máy chủ www.yahoo.com, nó gửi kết quả cho máy chủ tên miền cục bộ dns.vnn.vn, máy chủ tên miền dns.vnn.vn sẽ chuyển tiếp cho máy trạm và đồng thời lưu địa chỉ này trong cơ sở dữ liệu tạm của nó.
Một đặc tính quan trọng của DNS là lưu trữ tạm thời các bản ghi DNS (DNS caching). Trên thực tế, DNS lưu trữ tạm thời để làmgiảm độ trễ cũng như làm giảm số bản tin DNS trao đổi trên mạng. Ý tưởng này rất đơn giản: Khi nhận được ánh xạ DNS của máy tính nào đó, bên cạnh việc gửi tiếp bản tin, máy chủ tên miền sẽ lưu ánh xạ này vào bộ nhớ cục bộ (ổ địa cứng hay RAM). Với ánh xạ tên máy - địa chỉ IP được lưu trữ, nếu có một truy vấn khác yêu cầu địa chỉ IP của cùng tên máy mà máy chủ tên miền vừa lưu trữ, máy chủ tên miền sẽ xác định được địa chỉ áp mong muốn, ngay cả khi nó không phải là máy chủ tên miền ủy quyền cho máy tính đó. Để tránh bị lạc hậu, thông tin lưu trữ tạm thời sẽ bị xoá bỏ sau một khoảng thời gian nhất định (thường là 48 giờ).