手工配置IP地址麻煩還會出錯？普及下DHCP的各種工作原理

在終端規模較大的網絡中手工配置IP地址時，為避免IP地址重復，需要事先規劃每個終端的IP地址，導致工作量大且容易出錯!

當終端位置經常變更時（例如企業出差人員的便攜電腦），每次變更都需要重新手工配置IP地址，煩神又煩力呀...

某些特殊的無盤工作站，無法手工配置IP地址，該如何與網絡實現互通？

其實吧，有了動態主機配置協議DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)，上面的問題都可以解決了。小伙伴們再也不用擔心手工配錯，費神費力了。

DHCP能夠實現動態為主機分配IP地址，而且是目前應用很廣泛的一種技術。例如，辦公室，網吧里的固定PC；咖啡廳，機場等提供WIFI接入的地方用手機上網，這些都會用到DHCP。

本期就由小編來給大家普及下DHCP的各種工作原理。

DHCP工作原理

一、什么是DHCP？

DHCP，動態主機配置協議，前身是BOOTP協議，是一個局域網的網絡協議，使用UDP協議工作，常用的2個端口：

67(DHCP server),68(DHCP client)。

DHCP通常被用于局域網環境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client動態的獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務器地址等信息，并能夠提升地址的使用率。簡單來說，DHCP就是一個不需要賬號密碼登錄的、自動給內網機器分配IP地址等信息的協議。

二、DHCP協議中的報文

DHCP報文共有以下幾種：

DHCP DISCOVER：客戶端開始DHCP過程發送的包，是DHCP協議的開始

DHCP OFFER ：服務器接收到DHCP DISCOVER之后做出的響應，它包括了給予客戶端的IP（yiaddr）、客戶端的MAC地址、租約過期時間、服務器的識別符以及其他信息

DHCP REQUEST ：客戶端對于服務器發出的DHCP OFFER所做出的響應。在續約租期的時候同樣會使用。

DHCP ACK ：服務器在接收到客戶端發來的DHCP REQUEST之后發出的成功確認的報文。在建立連接的時候，客戶端在接收到這個報文之后才會確認分配給它的IP和其他信息可以被允許使用。

DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的報文，表示服務器拒絕了客戶端的請求。

DHCP RELEASE ：一般出現在客戶端關機、下線等狀況。這個報文將會使DHCP服務器釋放發出此報文的客戶端的IP地址。

DHCP INFORM ：客戶端發出的向服務器請求一些信息的報文。

DHCP DECLINE :當客戶端發現服務器分配的IP地址無法使用（如IP地址沖突時），將發出此報文，通知服務器禁止使用該IP地址。

DHCP的工作流程：

三、DHCP協議包的組成

Xid :隨機生成的一段字符串，兩個數據包擁有相同的xid說明他們屬于同一次會話。

Ciaddr :客戶端會在發送請求時將自己的ip地址放在此處。

Yiaddr :服務器會將想要分配給客戶端的ip地址放在此處。

Siaddr :一般來說是服務器的ip地址.但是注意！根據openwrt源碼給出的注釋，當報文的源地址、siaddr、option->server_id字段不一致（有經過跨子網轉發）時，通常認為option->srever_id字段為真正的服務器ip，siaddr有可能是多次路由跳轉中的某一個路由的ip （下圖中wireshark抓包中也有標明siaddr為nextserver ip address）。

Chaddr:客戶端的mac地址。

Giaddr :如果需要跨子網進行DHCP地址發放，則在此處填入經過的路由器的ip地址。

Sname :服務器主域名。

Options :可以自由添加的部分，用于存放客戶端向服務器請求信息和服務器的應答信息。

DHCP 客戶端

一、什么是DHCP客戶端？

DHCP客戶端一般來說是局域網中獨立的PC主機。

DHCP客戶端發出的DHCP DISCOVER包是DHCP協議的開始。

延續租期、發現、釋放IP地址等大多數DHCP中的行為都是由DHCP客戶端主動發起。

二、DHCP 自動狀態機

DHCP獲得ip地址的4步驟：discover->offer->request->ack(nak)

DHCP刷新租期的步驟：request->ack(nak)

DHCP釋放ip的步驟：release

wnr2000v5 1.0.0.8的代碼中沒有發現rebooting、init-reboot狀態。所以DHCP client的狀態一般從init開始，完整的狀態機如下圖（紅色代表客戶端的狀態跳轉）：

DHCP工作過程詳解

一、DHCP客戶機初始化：

1.尋找DHCP Server

當DHCP客戶機第一次登錄網絡的時候（也就是客戶機上沒有任何IP地址數據時），它會通過UDP 67端口向網絡上發出一個DHCPDISCOVER數據包（包中包含客戶機的MAC地址和計算機名等信息）。因為客戶機還不知道自己屬于哪一個網絡，所以封包的源地址為0.0.0.0，目標地址為255.255.255.255，然后再附上DHCP discover的信息，向網絡進行廣播。

DHCP discover的等待時間預設為1秒，也就是當客戶機將第一個DHCP discover封包送出去之后，在1秒之內沒有得到回應的話，就會進行第二次DHCP discover廣播。若一直沒有得到回應，客戶機會將這一廣播包重新發送四次（以2，4，8，16秒為間隔，加上1-1000毫秒之間隨機長度的時間）。如果都沒有得到DHCP Server的回應，客戶機會從169.254.0.0/16這個自動保留的私有IP地址中選用一個IP地址。并且每隔5分鐘重新廣播一次，如果收到某個服務器的響應，則繼續IP租用過程。

2. 提供IP地址租用

當DHCP Server監聽到客戶機發出的DHCP discover廣播后，它會從那些還沒有租出去的地址中，選擇最前面的空置IP，連同其它TCP/IP設定，通過UDP 68端口響應給客戶機一個DHCP OFFER數據包（包中包含IP地址、子網掩碼、地址租期等信息）。此時還是使用廣播進行通訊，源IP地址為DHCP Server的IP地址，目標地址為255.255.255.255。同時，DHCP Server為此客戶保留它提供的IP地址，從而不會為其他DHCP客戶分配此IP地址。

由于客戶機在開始的時候還沒有IP地址，所以在其DHCP discover封包內會帶有其MAC地址信息，并且有一個XID編號來辨別該封包，DHCP Server響應的DHCP OFFER封包則會根據這些資料傳遞給要求租約的客戶。

3. 接受IP租約

如果客戶機收到網絡上多臺DHCP服務器的響應，只會挑選其中一個DHCP OFFER（一般是最先到達的那個），并且會向網絡發送一個DHCP REQUEST廣播數據包（包中包含客戶端的MAC地址、接受的租約中的IP地址、提供此租約的DHCP服務器地址等），告訴所有DHCP Server它將接受哪一臺服務器提供的IP地址，所有其他的DHCP服務器撤銷它們的提供以便將IP地址提供給下一次IP租用請求。此時，由于還沒有得到DHCP Server的最后確認，客戶端仍然使用0.0.0.0為源IP地址，255.255.255.255為目標地址進行廣播。

事實上，并不是所有DHCP客戶機都會無條件接受DHCP Server的OFFER，特別是如果這些主機上安裝有其它TCP/IP相關的客戶機軟件?？蛻魴C也可以用DHCP REQUEST向服務器提出DHCP選擇，這些選擇會以不同的號碼填寫在DHCP Option Field里面?？蛻魴C可以保留自己的一些TCP/IP設定。

4.租約確認

當DHCP Server接收到客戶機的DHCP REQUEST之后，會廣播返回給客戶機一個DHCP ACK消息包，表明已經接受客戶機的選擇，并將這一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入該廣播包發給客戶機。

客戶機在接收到DHCP ACK廣播后，會向網絡發送三個針對此IP地址的ARP解析請求以執行沖突檢測，查詢網絡上有沒有其它機器使用該IP地址；如果發現該IP地址已經被使用，客戶機會發出一個DHCP DECLINE數據包給DHCP Server，拒絕此IP地址租約，并重新發送DHCP discover信息。此時，在DHCP服務器管理控制臺中，會顯示此IP地址為BAD_ADDRESS。

如果網絡上沒有其它主機使用此IP地址，則客戶機的TCP/IP使用租約中提供的IP地址完成初始化，從而可以和其他網絡中的主機進行通訊。

二、DHCP客戶機租期續約：

客戶機會在租期過去50%的時候，直接向為其提供IP地址的DHCP Server發送DHCP REQUEST消息包。如果客戶機接收到該服務器回應的DHCP ACK消息包，客戶機就根據包中所提供的新的租期以及其它已經更新的TCP/IP參數，更新自己的配置，IP租用更新完成。如果沒有收到該服務器的回復，則客戶機繼續使用現有的IP地址，因為當前租期還有50%。

如果在租期過去50%的時候沒有更新，則客戶機將在租期過去87.5%的時候再次向為其提供IP地址的DHCP聯系。如果還不成功，到租約的100%時候，客戶機必須放棄這個IP地址，重新申請。如果此時無DHCP可用，客戶機會使用169.254.0.0/16中隨機的一個地址，并且每隔5分鐘再進行嘗試。

審核編輯：劉清