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什么是DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，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，统一使用两个IANA分配的端口：67（服务器端），68（客户端）。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。

DHCP协议

DHCP报文种类

DHCP一共有8中报文，各种类型报文的基本功能如下：

DHCP报文格式

• op：报文的操作类型。分为请求报文和响应报文。1：请求报文，2：应答报文。即client送给server的封包，设为1，反之为2。
  • 请求报文：DHCP Discover、DHCP Request、DHCP Release、DHCP Inform和DHCP Decline。
  • 应答报文：DHCP Offer、DHCP ACK和DHCP NAK。
• htype：DHCP客户端的MAC地址类型。MAC地址类型其实是指明网络类型。htype值为1时表示为最常见的以太网MAC地址类型。
• hlen：DHCP客户端的MAC地址长度。以太网MAC地址长度为6个字节，即以太网时hlen值为6。
• hops：DHCP报文经过的DHCP中继的数目，默认为0。DHCP请求报文每经过一个DHCP中继，该字段就会增加1。没有经过DHCP中继时值为0。(若数据包需经过router传送，每站加1，若在同一网内，为0。)
• xid：客户端通过DHCP Discover报文发起一次IP地址请求时选择的随机数，相当于请求标识。用来标识一次IP地址请求过程。在一次请求中所有报文的Xid都是一样的。
• secs：DHCP客户端从获取到IP地址或者续约过程开始到现在所消耗的时间，以秒为单位。在没有获得IP地址前该字段始终为0。(DHCP客户端开始DHCP请求后所经过的时间。目前尚未使用，固定为0。)
• flags：标志位，只使用第0比特位，是广播应答标识位，用来标识DHCP服务器应答报文是采用单播还是广播发送，0表示采用单播发送方式，1表示采用广播发送方式。其余位尚未使用。(即从0-15bits，最左1bit为1时表示server将以广播方式传送封包给client。)
  • 注意：在客户端正式分配了IP地址之前的第一次IP地址请求过程中，所有DHCP报文都是以广播方式发送的，包括客户端发送的DHCP Discover和DHCP Request报文，以及DHCP服务器发送的DHCP Offer、DHCP ACK和DHCP NAK报文。当然，如果是由DHCP中继器转的报文，则都是以单播方式发送的。另外，IP地址续约、IP地址释放的相关报文都是采用单播方式进行发送的。
• ciaddr：DHCP客户端的IP地址。仅在DHCP服务器发送的ACK报文中显示，因为在得到DHCP服务器确认前，DHCP客户端是还没有分配到IP地址的。在其他报文中均显示，只有客户端是Bound、Renew、Rebinding状态，并且能响应ARP请求时，才能被填充。
• yiaddr：DHCP服务器分配给客户端的IP地址。仅在DHCP服务器发送的Offer和ACK报文中显示，其他报文中显示为0。
• siaddr：下一个为DHCP客户端分配IP地址等信息的DHCP服务器IP地址。仅在DHCP Offer、DHCP ACK报文中显示，其他报文中显示为0。(用于bootstrap过程中的IP地址)
  • 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
• giaddr：DHCP客户端发出请求报文后经过的第一个DHCP中继的IP地址。如果没有经过DHCP中继，则显示为0。(转发代理（网关）IP地址)
• chaddr：DHCP客户端的MAC地址。在每个报文中都会显示对应DHCP客户端的MAC地址。
• sname：为DHCP客户端分配IP地址的DHCP服务器名称（DNS域名格式）。在Offer和ACK报文中显示发送报文的DHCP服务器名称，其他报文显示为0。
• file：DHCP服务器为DHCP客户端指定的启动配置文件名称及路径信息。仅在DHCP Offer报文中显示，其他报文中显示为空。
• options：可选项字段，长度可变，格式为”代码+长度+数据”。

DHCP工作流程

IP地址分配方式

DHCP SERVER负责接收客户端的DHCP请求，集中管理所有客户机的IP地址设定资料，并负责处理客户端的DHCP请求，相比于BOOTP，DHCP通过“租约”来实现动态分配IP的功能，实现IP的时分复用，从而解决IP资源短缺的问题。

其地址分配方式有如下三种

• 人工配置：由管理员对每台具体的计算机指定一个地址
• 自动配置：服务器为第一次连接网络的计算机分配一个永久地址，DHCP客户端第一次成功地从DHCP服务器端分配到一个IP地址之后，就永远使用这个地址
• 动态配置：在一定的期限内将地址租给计算机，客户端第一次从DHCP服务器分配到IP地址后，并非永久地使用该地址，每次使用完后，DHCP客户端就得释放这个IP地址，并且租期结束后客户必须续租或者停用该地址，而对于路由器，经常使用的地址分配方式是动态配置。

租约表

• 静态租约表：对应一个静态租约存储文件，server运行时从文件中读取静态租约表。
• 动态租约表：对应一个周期存储文件，server周期性将租约表存进该文件，在程序开始时将会读取上次存放的租约表。（租约表记录了当前所有分配的租约，包括静态链接的）。
• DHCP服务器是一直处在被动接受请求的状态，当有客户端请求时，服务器会读取获得客户端当前所在的状态以及客户端的信息，并在静态租约表和动态租约表中进行检索找到相应的表项，再根据客户端的状态执行不同的回复。
• 当收到客户端的首次请求时，DHCP服务器先查找静态租约表；若存在请求的表项，返回这个客户的静态IP地址；否则，从IP地址池中选择可用的IP分配给客户，并添加信息到动态数据库中。此外，服务器将会周期性的刷新租约表写入文件存档，在这个过程中会顺便对动态租约表进行租期检查。

工作流程

客户端登陆网络：

• 客户机初始化 & 寻找DHCP服务器（DHCP Discover）：DHCP客户端启动时，计算机发现本机上没有任何IP地址设定，将以广播方式通过UDP 67端口发送DHCP Discover发现信息来寻找DHCP服务器，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目的地址为255.255.255.255，向网络发送特定的广播信息。网络上每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收这个广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。

  • 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。
    

• 分配IP地址 & 提供IP地址租用（DHCP Offer）：DHCP服务器收到客户端发出的DHCP discover广播后，通过解析报文，查询dhcpd.conf配置文件。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端口响应给客户端一个DHCP offer数据包（包中包含IP地址、子网掩码、地址租期等信息）。告诉DHCP客户端，该DHCP服务器拥有资源，可以提供DHCP服务。

  • 此时还是使用广播进行通讯，源IP地址为DHCP服务器的IP地址，目标地址为255.255.255.255。同时，DHCP服务器为此客户端保留它提供的IP地址，从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。
  • 由于客户端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服务器响应的DHCP offer封包则会根据这些资料传递给要求租约的客户。
    

• 接受IP地址 & 接受IP租约（DHCP Request）：DHCP客户端接受到DHCP offer提供信息之后，如果客户机收到网络上多台DHCP服务器的响应，一般是最先到达的那个，然后以广播的方式回答一个DHCP request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服务器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服务器的最后确认，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客户端都会无条件接受DHCP服务器的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。客户端也可以用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。
    

• IP地址分配确认 & 租约确认（DHCP Ack）：当DHCP服务器接收到客户机的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，告诉DHCP客户端可以使用它提供的IP地址。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。

  • 客户端在接收到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服务器，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。
    

客户端重新登录：

• 重新登录：以后DHCP客户端每次重新登录网络时，就不需要再发送DHCP discover发现信息了，而是直接发送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request请求信息。当DHCP服务器收到这一信息后，它会尝试让DHCP客户机继续使用原来的IP地址，并回答一个DHCP ack确认信息。如果此IP地址已无法再分配给原来的DHCP客户端使用时，则DHCP服务器给DHCP客户端回答一个DHCP nack否认信息。当原来的DHCP客户机收到此DHCP nack否认信息后，它就必须重新发送DHCP discover发现信息来请求新的IP地址。
  客户端离线：
  

• 更新租约：DHCP服务器向DHCP客户机出租的IP地址一般都有一个租借期限，期满后DHCP服务器便会收回出租的IP地址。如果DHCP客户机要延长其IP租约，则必须更新其IP租约。

  • 客户端会在租期过去50%的时候，直接向为其提供IP地址的DHCP服务器发送DHCP request消息包。如果客户端接收到该服务器回应的DHCP ack消息包，客户端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，则客户端继续使用现有的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，则客户端将在租期过去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，客户端必须放弃这个IP地址，重新申请。如果此时无DHCP可用，客户端会使用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。

服务器处理流程

DHCP OFFER

• 静态租用：首先匹配MAC地址，看是否能在静态租约表中找到对应的项，若能找到就把IP分配给他。静态表中的IP不能被其他客户使用。
• 动态租用：
  • 服务器试图分配给客户端上次分配过的IP，在这之前检查这个IP是否正在使用。
  • DHCP discover中含有request ip时，检查该IP是否在地址池范围，是否正在使用，是否到期，是否是静态IP，网络上是否已经存在。
  • DHCP discover不含request ip，从地址池上寻找一个最小的可用IP分配。

DHCP ACK

• 根据是否含有request ip和server ip识别客户端现在init_reboot,selecting,renewing/rebinding中的哪个状态，并根据以下规则执行DHCPACK回复：
• 若客户端处于selecting状态，验证request ip和server ip是否同服务器中的匹配。
• 若客户端处于init_reboot状态，验证request ip是否符合租约记录。
• 若客户端处于renewing/rebinding状态，验证client ip是否符合租约记录。

DHCP NAK

• 请求的IP是静态IP，但是MAC地址无法与其对应。
• 上面DHCPACK中验证失败。

服务器还可能会收到其他包

• DHCP DECLINE：服务器会把租约表中相关client硬件地址置空，并保存这个地址一段时间。
• DHCP RELEASE：清空租期回收IP。
• DHCP INFORM：回复DHCPACK，数据包含有关于server的信息。