DHCP 出現(xiàn)

電腦或手機(jī)需要 IP 地址才能上網(wǎng)。大劉有兩臺電腦和兩臺手機(jī)，小美有一臺筆記本電腦、一臺平板電腦和兩臺手機(jī)，老王、阿麗、敏敏也有幾臺終端設(shè)備。如果為每臺設(shè)備手動配置 IP 地址，那會非常繁瑣，一點(diǎn)兒也不方便。特別是手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等設(shè)備，每移動到一個新的地方，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，都要重新設(shè)置 IP 地址，實(shí)在是太麻煩了。

于是就有了 DHCP 協(xié)議，會自動配置設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括 IP 地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址、DNS 服務(wù)器等，替代手動配置。還能統(tǒng)一 IP 地址分配，方便網(wǎng)絡(luò)管理。

DHCP 簡介

DHCP 協(xié)議是從 BOOTP 協(xié)議發(fā)展而來。但 BOOTP 運(yùn)行在相對靜態(tài)的環(huán)境中，每臺設(shè)備配置專門的 BOOTP 參數(shù)文件，該文件會在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持不變。DHCP 從以下兩方面對 BOOTP 進(jìn)行了擴(kuò)展：

• DHCP 允許設(shè)備動態(tài)地獲取 IP 地址，而不是靜態(tài)指定每臺主機(jī)地址。
• DHCP 能夠分配其它的配置參數(shù)，客戶端僅用一個消息就獲取它所需要的所有配置信息。

大劉他們的設(shè)備使用 DHCP 功能后，只要連接到網(wǎng)絡(luò)，就可以進(jìn)行 TCP/IP 通信。對于路由器和交換機(jī)，通常是手動配置 IP 地址等參數(shù)。

DHCP 是一種 Client/Server 模式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由 DHCP Client 向 DHCP Server 提出配置申請，DHCP Server 返回為 DHCP Client 分配的配置信息。這里的 Client 和 Server 是應(yīng)用程序，可以運(yùn)行在電腦、服務(wù)器、路由器等設(shè)備上。

舉個栗子：

大劉的電腦開機(jī)后，自動運(yùn)行 DHCP Client ，DHCP Client 主動向其它設(shè)備上的 DHCP Server 提出請求，DHCP Server 根據(jù)預(yù)先配置的策略，返回相應(yīng) IP 配置信息，DHCP Client 使用獲得的 IP 配置信息與其它設(shè)備進(jìn)行通信。

DHCP 分配機(jī)制

DHCP 提供了兩種地址分配機(jī)制，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求為不同的 Client 選擇不同的分配策略。

• 動態(tài)分配機(jī)制：通過 DHCP 為 Client 分配一個有使用期限的 IP 地址。如果 Client 沒有及時續(xù)約，到達(dá)使用期限后，這個地址可能會被其它 Client 使用。絕大多數(shù) Client 使用的都是這種動態(tài)分配的地址。
• 靜態(tài)分配機(jī)制：通過 DHCP 為特定的 Client 分配固定的 IP 地址。固定 IP 地址可以永久使用， Client 通常是打印機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備。

在實(shí)際情況中，我們發(fā)現(xiàn) DHCP Client 重啟后，也能獲得相同的 IP 地址。DHCP Server 為 DHCP Client 分配 IP 地址時，采用如下的順序：

1. DHCP Server 中與 DHCP Client 的 MAC 地址靜態(tài)綁定的 IP 地址。
2. DHCP Client 曾經(jīng)使用過的 IP 地址。
3. 最先找到的可用 IP 地址。

如果沒找到可用的 IP 地址，就依次查詢超過租期、發(fā)生沖突的 IP 地址，如果找到就進(jìn)行分配，否則報錯處理。

DHCP 系統(tǒng)組成

DHCP 系統(tǒng)由 DHCP Server（ DHCP 服務(wù)器）、DHCP Client（ DHCP 客戶端）、DHCP Relay（ DHCP 中繼）等組成。

• DHCP Server
  DHCP Server 提供網(wǎng)絡(luò)參數(shù)給 DHCP Client ，通常是一臺提供 DHCP 服務(wù)功能的服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器或三層交換機(jī)）。比如：家里用的無線路由器。
• DHCP Client
  DHCP Client 通過 DHCP Server獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通常是一臺主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。比如：大劉的電腦、小美的手機(jī)。
• DHCP Relay
  通常情況下，DHCP 采用廣播方式實(shí)現(xiàn)報文交互，DHCP 服務(wù)僅限在本地網(wǎng)段使用。如果需要跨網(wǎng)段實(shí)現(xiàn) DHCP ，那么使用 DHCP Relay 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
  在 DHCP Server 和 DHCP Client 之間轉(zhuǎn)發(fā)跨網(wǎng)段 DHCP 報文的設(shè)備，通常是三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

DHCP 基本流程

DHCP 協(xié)議報文采用 UDP 方式封裝，DHCP Server 偵聽的端口號是 67 ，DHCP Client 的端口號是 68 。DHCP 設(shè)備通過發(fā)送和接收 UDP 67 和 UPD 68 端口的報文進(jìn)行協(xié)議交互。DHCP 的基本工作流程分為 4 個階段，即發(fā)現(xiàn)階段、提供階段、請求階段、確認(rèn)階段。我們假設(shè)大劉的 PC 是一臺新電腦，下面將描述 PC 第一次是如何通過 DHCP 獲取 IP 地址的。

為方便描述，DHCP Server 簡稱 小 S ，DHCP Client 簡稱 小 C 。

1、發(fā)現(xiàn)階段

小 C 在本地網(wǎng)段中廣播一個 DHCP Discover 報文，目的尋找能夠分配 IP 地址的 小 S 。

2、提供階段

本地網(wǎng)段的 小 S 收到 DHCP Discover 報文后，回應(yīng) DHCP Offer 報文。DHCP Offer 報文包含了可用 IP 地址和其它網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

小 C 通過對比 Discover 報文和 Offer 報文中的 xid 字段是否相同，來判斷 Offer 報文是不是發(fā)給自己的。

3、請求階段

小 C 會收到 小 S 發(fā)送的 DHCP Offer 報文。如果有多個 小 S ，那么每個 小 S 都會回應(yīng) DHCP Offer 報文。通常 小 C 會選擇最先收到的 Offer 報文，并廣播 DHCP Request 報文來表明哪個 小 S 被選擇，其余 小 S 就涼涼了。

如果 小 C 在一定時間后一直沒收到 DHCP Offer 報文，那么它就會重新發(fā)送 DHCP Discover 報文。

4、確認(rèn)階段

小 S 收到 DHCP Request 廣播報文后，發(fā)送 DHCP Ack 報文作為回應(yīng)，其中包含 小 C 的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。DHCP Ack 報文和之前 DHCP Offer 報文的參數(shù)不能有沖突，否則 小 S 會回應(yīng)一個 DHCP Nak 報文。

當(dāng) 小 C 收到 DHCP Ack 報文后，會發(fā)送免費(fèi) ARP 報文進(jìn)行探測，目的地址為獲得的 IP 地址，如果探測此地址沒有被使用，那么 小 C 就會使用這個地址，并完成配置。

DHCP 租期

從 DHCP 協(xié)議上看，小 S 才有 IP 地址的所有權(quán)，而 小 C 只有 IP 地址的使用權(quán)。小 S 每次給 小 C 分配一個 IP 地址時，會約定一個 IP 地址的租期，通常是 24 小時。在租期內(nèi)，小 C 才能使用相應(yīng)的 IP 地址。當(dāng)租期到期后，小 C 將不能繼續(xù)使用這個 IP 地址。當(dāng)然了，在租期還沒到期的時候，小 C 是可以申請續(xù)租這個 IP 地址的。

T1 時刻是租期到一半的時候，T2 時刻是租期到 87.5% 的時候。在 T1 時刻 小 C 會單播一個 DHCP Request 報文給 小 S ，請求續(xù)租 IP 地址。如果 小 C 收到了 DHCP Ack 回應(yīng)報文，則說明續(xù)租成功。

如果直到 T2 時刻，小 C 都未收到 DHCP Ack 回應(yīng)報文，那么會廣播發(fā)送一個 DHCP Request 報文，繼續(xù)請求續(xù)租 IP 地址。如果 小 C 收到了 DHCP Ack 回應(yīng)報文，則說明續(xù)租成功。

如果直到租期到期， 小 C 都未收到 DHCP Ack 回應(yīng)報文，那么必須停止使用原來的 IP 地址。 小 C 將從發(fā)現(xiàn)階段開始，重新來申請一個 IP 地址。

DHCP Relay

動態(tài)獲取 IP 地址的過程中，使用廣播方式發(fā)生報文，因此 DHCP 只適用于 小 C 和 小 S 在同一個子網(wǎng)內(nèi)的情況。如果為每個網(wǎng)段配置一個 小 S ，這顯然太浪費(fèi)了。

實(shí)際上還有 DHCP Relay 這種角色。小 C 通過 DHCP Relay 實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段與 小 S 通信，獲取 IP 地址。這樣，多個子網(wǎng)上的 小 C 可以使用同一個 小 S ，既節(jié)省成本，又方便集中管理。

DHCP Relay 的工作原理如下：

1. 小 C 發(fā)送 DHCP Discover 或 DHCP Request 廣播報文，具有 DHCP Relay 功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收到后，根據(jù)配置將報文單播給指定的 小 S ；
2. 小 S 進(jìn)行 IP 地址的分配，單播發(fā)送給 DHCP Relay ，DHCP Relay 再將配置信息廣播給 小 C ，完成對 小 C 的動態(tài)配置。

DHCP 協(xié)議報文

前面的內(nèi)容有提到 DHCP 的一些報文類型，現(xiàn)在講講 DHCP 主要的 8 種報文類型。常見的 5 種報文類型有：DHCP Discover 、DHCP Offer 、DHCP Request 、DHCP Ack 和 DHCP Release ，用得少的 3 種報文類型有：DHCP Nak 、DHCP Decline 和 DHCP Inform 。

• DHCP Discover 報文
  它是 DHCP Client 首次接入網(wǎng)絡(luò)，DHCP 交互過程的第一個報文，用來尋找 DHCP Server的請求報文。
• DHCP Offer 報文
  它是 DHCP Server 用來回應(yīng)  DHCP Discover 報文的，并攜帶網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括：IP 地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS 服務(wù)器等。
• DHCP Request 報文
  它是 DHCP Client 發(fā)送的報文，有三種使用場景：

• 根據(jù)策略選擇相應(yīng)的 DHCP Server，并回應(yīng) DHCP Offer 報文；
• DHCP Client 非首次接入網(wǎng)絡(luò)，直接發(fā)送 DHCP Request 報文來申請之前使用過的 IP 地址等參數(shù)；
• 當(dāng) IP 地址的租約到期后，發(fā)送 DHCP Request 進(jìn)行租期更新。

• DHCP Ack 報文
  它是 DHCP Server 對 DHCP Request 報文的回應(yīng)報文，進(jìn)行最終確認(rèn)。DHCP Client 收到這個報文后，才能獲得 IP 地址和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
• DHCP Nak 報文
  它也是 DHCP Server 對 DHCP Request 報文的回應(yīng)報文，當(dāng) DHCP Request 報文中的各個參數(shù)都正確時，回應(yīng) DHCP Ack 報文，否則回應(yīng) DHCP Nak 報文，告訴 DHCP Client 禁止使用獲得的 IP 地址。
• DHCP Decline 報文
  當(dāng) DHCP Client 收到 DHCP Ack 報文后，還會發(fā)送免費(fèi) ARP 報文，確認(rèn)申請的 IP 地址是否已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上使用了。如果 IP 地址已經(jīng)被其它 Client 使用，那么 DHCP Client 發(fā)送 DHCP Decline 報文，拒絕分配的 IP 地址，并重新向 DHCP Server 申請地址。
• DHCP Release 報文
  當(dāng) DHCP Client 想要釋放獲得的 IP 地址時，向 DHCP Server 發(fā)送 DHCP Release 報文，DHCP Server 收到報文后，可將這個 IP 地址分配給其它的 Client 。
• DHCP Inform 報文
  DHCP Client 通過手動方式獲得 IP 地址后，還想向 DHCP Server 獲取更多網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時，比如：默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址、DNS 服務(wù)器地址，DHCP Client 就向 DHCP Server 發(fā)送 DHCP Inform 報文進(jìn)行申請。

DHCP 狀態(tài)機(jī)

如果把功能各異的 8 種報文串起來，就是整個 DHCP 協(xié)議交互流程。前面講的 4 種階段（發(fā)現(xiàn)、提供、請求、確認(rèn)）不能完全展現(xiàn)出來，這就需要使用 DHCP 協(xié)議的狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)指出下一步使用的報文類型，狀態(tài)轉(zhuǎn)換是通過報文的接收、發(fā)送或超時。下面是 Client 的狀態(tài)機(jī)。

Client 從 INIT 狀態(tài)開始，廣播 DHCP Discover 報文。在選擇狀態(tài)時，它收到 DHCP Offer 報文，并決定使用哪個地址和 Server 。做出選擇后，通過 DHCP Request 報文進(jìn)入請求狀態(tài)。如果分配的地址和曾使用過的地址不一致，那么回應(yīng) DHCP Nak 報文進(jìn)行拒絕，并返回 INIT 狀態(tài)；如果分配的地址已經(jīng)被占用，那么回應(yīng) DHCP Decline 報文進(jìn)行拒絕，也返回到 INIT 狀態(tài)。通常是收到一個需要的地址，回應(yīng) DHCP Ack 報文，獲得租期超時值 T1 和 T2 ，并進(jìn)入綁定狀態(tài)，這個時候就可以使用這個地址直到租期到期。當(dāng) T1 到期時，進(jìn)入更新狀態(tài)并進(jìn)行續(xù)租申請。如果續(xù)租成功，那么可以收到 DHCP Ack 報文，并返回到綁定狀態(tài)；如果續(xù)租不成功，那么在 T2 到期時，再次進(jìn)行續(xù)租申請。如果租期最終到期，那么 Client 將禁止使用所租用的地址，并返回到 INIT 狀態(tài)。

DHCP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)

DHCP 協(xié)議是為解決網(wǎng)絡(luò)問題而生，現(xiàn)在我們就來模擬實(shí)際環(huán)境，動手操作，驗(yàn)證下 DHCP 的功能。

DHCP Server 示例

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

實(shí)驗(yàn)要求

• RT（路由器）配置 DHCP Server ，PC 動態(tài)獲取 IP 地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

操作步驟

配置思路：

1. 在 RT 上開啟 DHCP 功能。
2. 創(chuàng)建一個地址池。
3. 配置地址池的相關(guān)參數(shù)。
4. 在 RT 的接口下引用地址池，實(shí)現(xiàn) DHCP Server 功能。

配置命令：

使用 DHCP 功能之前，先要開啟 DHCP 功能。系統(tǒng)視圖下，使用命令 dhcp enable 啟動 DHCP 功能。

動態(tài)分配 IP 地址，就需要有多個可分配的 IP 地址，使用 ip pool ip-pool-name 命令來創(chuàng)建全局地址池，ip-pool-name 表示地址池的名稱。

在全局地址池視圖下，通過命令 network ip-address [ mask { mask | mask-length } ] 配置可分配的 IP 地址段。mask { mask | mask-length } 表示子網(wǎng)掩碼，通常根據(jù)設(shè)備數(shù)量來確定掩碼長度。

有了 IP 地址和子網(wǎng)掩碼，再加上默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，終端設(shè)備就能網(wǎng)絡(luò)互通了。在全局地址池視圖下，使用命令 gateway-list ip-address 配置網(wǎng)關(guān) IP 地址。

網(wǎng)絡(luò)互通，還不能正常訪問網(wǎng)站，需要配置 DNS 服務(wù)器，用于域名解析。在全局地址池視圖下，使用 dns-list ip-address 配置 DNS 服務(wù)器的 IP 地址。

地址池配置中，常用的可選命令如下，可根據(jù)需求進(jìn)行選擇性設(shè)置。

lease { day day [ hour hour [ minute minute ] ]  | unlimited } ：配置 IP 地址的租期，默認(rèn)租期是 1 天。

excluded-ip-address start-ip-address [ end-ip-address ] ：在可分配的地址池中，設(shè)置不分配的 IP 地址。比如：地址池是 192.168.100.0/24 ，可設(shè)置 192.168.100.1 - 192.168.100.10 不參與地址分配。

static-bind ip-address ip-address mac-address mac-address ：為 Client 固定分配一個 IP 地址。

配置完地址池，還需要進(jìn)行引用，DHCP Server 功能就能正常使用了。在 RT 的接口下配置引用，命令為 dhcp select global 。

功能驗(yàn)證

配置完成后，理論上是 DHCP 功能正常工作了，實(shí)際情況的話，可通過命令 display ip pool name pool-name used，查看地址池的配置情況，和地址分配情況。

在 RT 上查看 DHCP Server 地址分配狀態(tài)。

同時也在 PC 上查看動態(tài)獲取地址情況，進(jìn)行雙向驗(yàn)證。

抓包還可以看到 DHCP 報文交互的詳細(xì)過程，同時也是檢驗(yàn)理論知識是否正確。

這里我們發(fā)現(xiàn)抓包看到的是 DHCP Offer 單播報文，而前面介紹的時候，DHCP Offer 是廣播報文。其實(shí) DHCP Offer 報文有可能是單播，也有可能是廣播。DHCP 在報文的標(biāo)志字段有一個廣播位，如果 Client 支持接收 Offer 單播報文，那么 Client 就會將發(fā)送報文中的廣播位設(shè)為 0 ，否則為 1 。

DHCP Relay 示例

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

實(shí)驗(yàn)要求

• DHCP Client 和 DHCP Server 在不同網(wǎng)段，DHCP Client 通過 DHCP Relay 獲取到 IP 地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

操作步驟

1. PC（ DHCP Client ）開啟 DHCP 功能。

2. RT1（ DHCP Relay ）使用 dhcp select relay 命令開啟 DHCP Relay 功能，在 G0/0/1 口下使用 dhcp relay server-ip ip-address 命令，配置 DHCP Server 的 IP 地址。

3. RT2（DHCP Server）開啟 DHCP 功能，創(chuàng)建地址池并配置相關(guān)參數(shù)，在接口下引用地址池，實(shí)現(xiàn) DHCP Server 功能。

功能驗(yàn)證

PC 端能獲取到 IP 配置，并且獲取的配置正確。

在 RT1 的 G0/0/1 抓包，查看 DHCP Client 和 DHCP Relay 的報文交互過程。

在 RT1 的 G0/0/0 抓包，查看 DHCP Server 和 DHCP Relay 的報文交互過程。

DHCP 報文格式

如果想要更深入的了解 DHCP 協(xié)議，那就要看它的報文格式。DHCP 設(shè)備通過識別報文內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)協(xié)議功能。

• op（操作類型）：表示報文的格式。當(dāng)值為 1 時，表示客戶端的請求報文；當(dāng)值為 2 時，表示服務(wù)器的響應(yīng)報文。
• htype（硬件類型）：不同的硬件類型取不同的值，最常見的以太網(wǎng)，值是 1 。
• hlen（硬件地址長度）：表示硬件地址長度，以太網(wǎng)的值是 6 ，也就是 MAC 地址的長度。
• hops（跳數(shù)）：DHCP 報文經(jīng)過的 DHCP 中繼的數(shù)量。
• xid（交互 ID ）：DHCP 客戶端取的隨機(jī)值，收到 DHCP 服務(wù)器的響應(yīng)報文時，查看 xid 值是否相同，來判斷報文是否是發(fā)送給自己的。
• secs（客戶端啟動秒數(shù)）：記錄 IP 地址的使用時間。
• flags（標(biāo)志）：廣播響應(yīng)標(biāo)志位，當(dāng)值為 0 時，表示服務(wù)器以單播形式發(fā)送響應(yīng)報文；當(dāng)值為 1 時，服務(wù)器以廣播形式發(fā)送響應(yīng)報文。
• ciaddr（客戶端 IP 地址）：客戶端的 IP 地址，可以是分配的地址，也可以是正在使用的地址，還可以是的 0.0.0.0 。0.0.0.0 是客戶端初始狀態(tài)沒有地址的時候，僅用于臨時通信，不是有效的地址。
• yiaddr（你的 IP 地址）：當(dāng)服務(wù)器發(fā)送響應(yīng)報文時，將分配給客戶端的 IP 地址填入這個字段。
• siaddr（服務(wù)器 IP 地址）：用來標(biāo)識服務(wù)器的 IP 地址。
• giaddr（中繼設(shè)備 IP 地址）：表示 DHCP 中繼的 IP 地址，服務(wù)器通過識別這個字段來判斷出客戶端的網(wǎng)段地址，從而選擇合適的地址池，為客戶端分配該網(wǎng)段的 IP 地址。
• chaddr（客戶端硬件地址）：用來標(biāo)識客戶端的硬件地址，當(dāng)客戶端發(fā)送廣播發(fā)現(xiàn)報文時，這個字段就是自己的硬件地址。
• sname（服務(wù)器名）：可選項(xiàng)，DHCP 服務(wù)器填寫這個字段。
• file（引導(dǎo)文件名）：可選項(xiàng)，DHCP 服務(wù)器填寫這個字段。
• options（可選項(xiàng)）：可選項(xiàng)，DHCP 客戶端獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，DHCP 服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，都是使用的這個字段。內(nèi)容有很多，例如：租期、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址、DNS 服務(wù)器地址等。

拿著 DHCP 報文格式，就可以看懂抓包獲取的報文內(nèi)容。

DHCP Discover 報文：

DHCP Offer 報文：

DHCP Request 報文：

DHCP Ack 報文：