手工配置IP地址麻烦还会出错？普及下DHCP的各种工作原理

在终端规模较大的网络中手工配置IP地址时，为避免IP地址重复，需要事先规划每个终端的IP地址，导致工作量大且容易出错!

当终端位置经常变更时（例如企业出差人员的便携电脑），每次变更都需要重新手工配置IP地址，烦神又烦力呀...

某些特殊的无盘工作站，无法手工配置IP地址，该如何与网络实现互通？

其实吧，有了动态主机配置协议DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)，上面的问题都可以解决了。小伙伴们再也不用担心手工配错，费神费力了。

DHCP能够实现动态为主机分配IP地址，而且是目前应用很广泛的一种技术。例如，办公室，网吧里的固定PC；咖啡厅，机场等提供WIFI接入的地方用手机上网，这些都会用到DHCP。

本期就由小编来给大家普及下DHCP的各种工作原理。

DHCP工作原理

一、什么是DHCP？

DHCP，动态主机配置协议，前身是BOOTP协议，是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，常用的2个端口：

67(DHCP server),68(DHCP client)。

DHCP通常被用于局域网环境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。简单来说，DHCP就是一个不需要账号密码登录的、自动给内网机器分配IP地址等信息的协议。

二、DHCP协议中的报文

DHCP报文共有以下几种：

DHCP DISCOVER ：客户端开始DHCP过程发送的包，是DHCP协议的开始

DHCP OFFER ：服务器接收到DHCP DISCOVER之后做出的响应，它包括了给予客户端的IP（yiaddr）、客户端的MAC地址、租约过期时间、服务器的识别符以及其他信息

DHCP REQUEST ：客户端对于服务器发出的DHCP OFFER所做出的响应。在续约租期的时候同样会使用。

DHCP ACK ：服务器在接收到客户端发来的DHCP REQUEST之后发出的成功确认的报文。在建立连接的时候，客户端在接收到这个报文之后才会确认分配给它的IP和其他信息可以被允许使用。

DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的报文，表示服务器拒绝了客户端的请求。

DHCP RELEASE ：一般出现在客户端关机、下线等状况。这个报文将会使DHCP服务器释放发出此报文的客户端的IP地址。

DHCP INFORM ：客户端发出的向服务器请求一些信息的报文。

DHCP DECLINE :当客户端发现服务器分配的IP地址无法使用（如IP地址冲突时），将发出此报文，通知服务器禁止使用该IP地址。

DHCP的工作流程：

 

三、DHCP协议包的组成

Xid :随机生成的一段字符串，两个数据包拥有相同的xid说明他们属于同一次会话。

Ciaddr :客户端会在发送请求时将自己的ip地址放在此处。

Yiaddr :服务器会将想要分配给客户端的ip地址放在此处。

Siaddr :一般来说是服务器的ip地址.但是注意！根据openwrt源码给出的注释，当报文的源地址、siaddr、option­>server_id字段不一致（有经过跨子网转发）时，通常认为option­>srever_id字段为真正的服务器ip，siaddr有可能是多次路由跳转中的某一个路由的ip （下图中wireshark抓包中也有标明siaddr为nextserver ip address）。

Chaddr :客户端的mac地址。

Giaddr :如果需要跨子网进行DHCP地址发放，则在此处填入经过的路由器的ip地址。

Sname :服务器主域名。

Options :可以自由添加的部分，用于存放客户端向服务器请求信息和服务器的应答信息。

DHCP 客户端

一、什么是DHCP客户端？

DHCP客户端一般来说是局域网中独立的PC主机。

DHCP客户端发出的DHCP DISCOVER包是DHCP协议的开始。

延续租期、发现、释放IP地址等大多数DHCP中的行为都是由DHCP客户端主动发起。

 

二、DHCP 自动状态机

DHCP获得ip地址的4步骤：discover­>offer­>request­>ack(nak)

DHCP刷新租期的步骤：request­>ack(nak)

DHCP释放ip的步骤：release

wnr2000v5 1.0.0.8的代码中没有发现rebooting、init­reboot状态。所以DHCP client的状态一般从init开始，完整的状态机如下图（红色代表客户端的状态跳转）：

DHCP工作过程详解

一、DHCP客户机初始化：

1.寻找DHCP Server

当DHCP客户机第一次登录网络的时候（也就是客户机上没有任何IP地址数据时），它会通过UDP 67端口向网络上发出一个DHCPDISCOVER数据包（包中包含客户机的MAC地址和计算机名等信息）。因为客户机还不知道自己属于哪一个网络，所以封包的源地址为0.0.0.0，目标地址为255.255.255.255，然后再附上DHCP discover的信息，向网络进行广播。

DHCP discover的等待时间预设为1秒，也就是当客户机将第一个DHCP discover封包送出去之后，在1秒之内没有得到回应的话，就会进行第二次DHCP discover广播。若一直没有得到回应，客户机会将这一广播包重新发送四次（以2，4，8，16秒为间隔，加上1-1000毫秒之间随机长度的时间）。如果都没有得到DHCP Server的回应，客户机会从169.254.0.0/16这个自动保留的私有IP地址中选用一个IP地址。并且每隔5分钟重新广播一次，如果收到某个服务器的响应，则继续IP租用过程。

2. 提供IP地址租用

当DHCP Server监听到客户机发出的DHCP discover广播后，它会从那些还没有租出去的地址中，选择最前面的空置IP，连同其它TCP/IP设定，通过UDP 68端口响应给客户机一个DHCP OFFER数据包（包中包含IP地址、子网掩码、地址租期等信息）。此时还是使用广播进行通讯，源IP地址为DHCP Server的IP地址，目标地址为255.255.255.255。同时，DHCP Server为此客户保留它提供的IP地址，从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。

由于客户机在开始的时候还没有IP地址，所以在其DHCP discover封包内会带有其MAC地址信息，并且有一个XID编号来辨别该封包，DHCP Server响应的DHCP OFFER封包则会根据这些资料传递给要求租约的客户。

3. 接受IP租约

如果客户机收到网络上多台DHCP服务器的响应，只会挑选其中一个DHCP OFFER（一般是最先到达的那个），并且会向网络发送一个DHCP REQUEST广播数据包（包中包含客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器地址等），告诉所有DHCP Server它将接受哪一台服务器提供的IP地址，所有其他的DHCP服务器撤销它们的提供以便将IP地址提供给下一次IP租用请求。此时，由于还没有得到DHCP Server的最后确认，客户端仍然使用0.0.0.0为源IP地址，255.255.255.255为目标地址进行广播。

事实上，并不是所有DHCP客户机都会无条件接受DHCP Server的OFFER，特别是如果这些主机上安装有其它TCP/IP相关的客户机软件。客户机也可以用DHCP REQUEST向服务器提出DHCP选择，这些选择会以不同的号码填写在DHCP Option Field里面。客户机可以保留自己的一些TCP/IP设定。

4.租约确认

当DHCP Server接收到客户机的DHCP REQUEST之后，会广播返回给客户机一个DHCP ACK消息包，表明已经接受客户机的选择，并将这一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入该广播包发给客户机。

客户机在接收到DHCP ACK广播后，会向网络发送三个针对此IP地址的ARP解析请求以执行冲突检测，查询网络上有没有其它机器使用该IP地址；如果发现该IP地址已经被使用，客户机会发出一个DHCP DECLINE数据包给DHCP Server，拒绝此IP地址租约，并重新发送DHCP discover信息。此时，在DHCP服务器管理控制台中，会显示此IP地址为BAD_ADDRESS。

如果网络上没有其它主机使用此IP地址，则客户机的TCP/IP使用租约中提供的IP地址完成初始化，从而可以和其他网络中的主机进行通讯。

二、DHCP客户机租期续约：

客户机会在租期过去50%的时候，直接向为其提供IP地址的DHCP Server发送DHCP REQUEST消息包。如果客户机接收到该服务器回应的DHCP ACK消息包，客户机就根据包中所提供的新的租期以及其它已经更新的TCP/IP参数，更新自己的配置，IP租用更新完成。如果没有收到该服务器的回复，则客户机继续使用现有的IP地址，因为当前租期还有50%。

如果在租期过去50%的时候没有更新，则客户机将在租期过去87.5%的时候再次向为其提供IP地址的DHCP联系。如果还不成功，到租约的100%时候，客户机必须放弃这个IP地址，重新申请。如果此时无DHCP可用，客户机会使用169.254.0.0/16中随机的一个地址，并且每隔5分钟再进行尝试。

审核编辑：刘清