電腦怎么知道自己的IP地址的？

今天這篇文章，很有意思，它來(lái)源于我曾經(jīng)的一次真實(shí)面試?yán)锏钠渲幸粋€(gè)小問(wèn)題。

當(dāng)時(shí)是終面，面我的是那家公司的技術(shù)顧問(wèn)，在面試前hr還讓我看了他的履歷，是一位1996年就進(jìn)了麻省理工計(jì)算機(jī)系的大佬。

屬實(shí)有被震驚到，什么概念？1996年，沒(méi)記錯(cuò)的話那是個(gè)用BP機(jī)和大哥大的年代？有幾個(gè)人能用上電腦？又有幾個(gè)人有這種機(jī)會(huì)能出國(guó)深造。

這是哪部爽文小說(shuō)的主人公劇情？

就算放到現(xiàn)在，這也是非常強(qiáng)的事情。

我這輩子是沒(méi)希望了，也不知道我的兒子或者孫子輩有沒(méi)有機(jī)會(huì)能做到。

也就是說(shuō)，這位大佬，至少領(lǐng)先了我兩代人。

那一天，我感受到了，那種跨越時(shí)代的碾壓感。

好了，不講騷話了，直接開(kāi)始主題吧。

我們知道，如果你知道某臺(tái)電腦的IP，就可以向這個(gè)IP發(fā)起連接請(qǐng)求，建立連接后就可以操作收發(fā)數(shù)據(jù)。

五層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)應(yīng)的消息體變化分析

要發(fā)送的數(shù)據(jù)，會(huì)在網(wǎng)絡(luò)層里加入IP頭。

ip報(bào)頭

這里面最重要的是發(fā)送端和接收端的IP地址。這個(gè)IP地址就像是一個(gè)門牌號(hào)一樣，有了它，數(shù)據(jù)包就能在這個(gè)紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界里找到該由誰(shuí)來(lái)接收這個(gè)數(shù)據(jù)包。

所以說(shuō)上面的網(wǎng)絡(luò)通信離不開(kāi)IP。

假設(shè)我有一臺(tái)新買的電腦，還沒(méi)聯(lián)網(wǎng)呢，這時(shí)候拿著新買的網(wǎng)線，插入網(wǎng)線口，網(wǎng)線插口亮起來(lái)了。

然后就可以開(kāi)始用它上網(wǎng)了。

那么問(wèn)題來(lái)了。

剛插上網(wǎng)線，電腦怎么知道自己的IP是什么？怎么就突然能上網(wǎng)了呢？

這個(gè)話題，我們從DHCP聊起吧。

DHCP是什么

插上網(wǎng)線之后，獲得IP的方式主要有兩種。

第一種是，自己手動(dòng)在電腦里配。像下圖那樣，是macOS的一個(gè)截圖，在選擇手動(dòng)配置之后，除了IP地址還需要配上子網(wǎng)掩碼和路由器的地址。

手動(dòng)配IP

這就很不科學(xué)了，電腦又不只是賣給程序員，這幾個(gè)詞對(duì)于大部分普通人來(lái)說(shuō)，比賦能抓手閉環(huán)這種黑話還要難理解。

大部分人沒(méi)事都不應(yīng)該去配這玩意。

有沒(méi)有辦法可以讓這些IP信息自動(dòng)獲得？

有，這就是第二種獲取IP的方式，DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）。

DHCP自動(dòng)生成IP

通過(guò)DHCP，在聯(lián)網(wǎng)之后可以自動(dòng)獲取到本機(jī)需要的IP地址，子網(wǎng)掩碼還有路由器地址。

DHCP的工作原理

DHCP的工作原理也非常簡(jiǎn)單。

說(shuō)白了，就是向某個(gè)管IP分配的服務(wù)器，也就是DHCP服務(wù)器，申請(qǐng)IP地址。其實(shí)一般家里用的路由器就自帶這個(gè)功能。

整個(gè)操作流程分為4個(gè)階段。

DHCP協(xié)議

DHCP Discover：在聯(lián)網(wǎng)時(shí)，本機(jī)由于沒(méi)有IP，也不知道DHCP服務(wù)器的IP地址是多少，所以根本不知道該向誰(shuí)發(fā)起請(qǐng)求，于是索性選擇廣播，向本地網(wǎng)段內(nèi)所有人發(fā)出消息，詢問(wèn)"誰(shuí)能給個(gè)IP用用"。

DHCP Offer：不是DHCP服務(wù)器的機(jī)子會(huì)忽略你的廣播消息，而DHCP服務(wù)器收到消息后，會(huì)在自己維護(hù)的一個(gè)IP池里拿出一個(gè)空閑IP，通過(guò)廣播的形式給回你的電腦。

DHCP Request：你的電腦在拿到IP后，再次發(fā)起廣播，就說(shuō)"這個(gè)IP我要了"。

DHCP ACK：DHCP服務(wù)器此時(shí)再回復(fù)你一個(gè)ACK，意思是"ok的"。你就正式獲得這個(gè)IP在一段時(shí)間（比如24小時(shí)）里的使用權(quán)了。后續(xù)只要IP租約不過(guò)期，就可以一直用這個(gè)IP進(jìn)行通信了。

到這里，問(wèn)題來(lái)了

為什么要有第三和第四階段

大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，在Offer階段，其實(shí)你的機(jī)子就已經(jīng)拿到了IP了，為什么還要有后面的Request和ACK呢？是不是有些多此一舉？

這是因?yàn)楸镜鼐W(wǎng)段內(nèi)，可能有不止一臺(tái)DHCP服務(wù)器，在你廣播之后，每個(gè)DHCP服務(wù)器都有可能給你發(fā)Offer。

本著先到先得的原則，你的機(jī)子一般會(huì)對(duì)第一個(gè)到的Offer響應(yīng)DHCP Request，目的是為了確認(rèn)offer，在你確認(rèn)Offer這段時(shí)間內(nèi)，DHCP服務(wù)器確認(rèn)這個(gè)IP還沒(méi)被分出去，你才可以安心使用這個(gè)IP。

像不像你找工作的過(guò)程？

你海投簡(jiǎn)歷（DHCP Discover），然后拿到了多個(gè)offer(DHCP Offer)。

這時(shí)候事情還沒(méi)完，你一般會(huì)跟HR說(shuō)："你給我兩天時(shí)間，我要跟家里人商量下"。

HR也會(huì)對(duì)你說(shuō)："那你盡快確認(rèn)，我這邊還有不少候選人等著"。

之后你考慮下來(lái)覺(jué)得不錯(cuò)，跟HR說(shuō)要接這個(gè)Offer（DHCP Request），HR看了下這個(gè)崗位還在，才能確認(rèn)讓你第二天來(lái)上班（DHCP ACK）。如果這個(gè)公司的崗位已經(jīng)招到其他候選人了，第四階段的消息就會(huì)改為發(fā)DHCP NAK，意思是拒絕了你的接Offer請(qǐng)求。

DHCP抓包

光看原理是有些枯燥，我們可以嘗試下抓包看下數(shù)據(jù)。

在命令行里執(zhí)行下面的命令，可以強(qiáng)行讓電腦的en0網(wǎng)卡重新走一遍DHCP流程。

sudoipconfigseten0DHCP

en0可以替換成其他網(wǎng)卡，比如eth0啥的。

這時(shí)候就可以抓到相關(guān)的數(shù)據(jù)包。

我們可以看到藍(lán)色的四個(gè)數(shù)據(jù)包，分別對(duì)應(yīng)上面提到的四個(gè)DHCP階段。

其中第二階段中的DHCP Offer里會(huì)返回給我們需要的IP、子網(wǎng)掩碼、路由器地址以及DNS服務(wù)器地址。

offer階段

另外，通過(guò)抓包，我們可以發(fā)現(xiàn)DHCP是應(yīng)用層的協(xié)議，基于傳輸層UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

那么問(wèn)題又來(lái)了。

為什么DHCP用UDP，能不能改用TCP？

按道理說(shuō)，UDP能做到的，TCP一般也能做到。但這次真不行。

主要原因還是因?yàn)門CP是面向連接的，而UDP是無(wú)連接的。

所謂"連接"，他就只有一個(gè)發(fā)送端和一個(gè)接收端，就跟水管一樣。

而DHCP由于一開(kāi)始并不知道要跟誰(shuí)建立連接，所以只能通過(guò)廣播的形式發(fā)送消息，注意，小細(xì)節(jié)，廣播。

廣播尋找DHCP服務(wù)器.drawio

同樣是在本地網(wǎng)段內(nèi)發(fā)廣播消息，UDP只需要發(fā)給255.255.255.255。它實(shí)際上并不是值某個(gè)具體的機(jī)器，而是一個(gè)特殊地址，這個(gè)地址有特殊含義，只要設(shè)了這個(gè)目的地址，就會(huì)在一定本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行廣播。

而TCP卻不同，它需要先建立連接，但實(shí)際上255.255.255.255對(duì)應(yīng)的機(jī)器并不存在，因此也不能建立連接。如果同樣要做到廣播的效果，就需要先得到本地網(wǎng)段內(nèi)所有機(jī)器的IP，然后挨個(gè)建立連接，再挨個(gè)發(fā)消息。這就很低效了。

因此DHCP選擇了UDP，而不是TCP。

為什么第二階段不是廣播，而是單播。

另外一個(gè)小細(xì)節(jié)不知道大家注意到?jīng)]，上面在提到 DHCP Offer 階段時(shí)，提到的是DHCP服務(wù)器會(huì)使用廣播的形式回復(fù)。但抓個(gè)包下來(lái)卻發(fā)現(xiàn)并不是廣播，而是單播。

其實(shí)，這是DHCP協(xié)議的一個(gè)小優(yōu)化。原則上大家在DHCP offer階段，都用廣播，那肯定是最穩(wěn)的，目標(biāo)機(jī)器收到后自然就會(huì)進(jìn)入第三階段DHCP Request。而非目標(biāo)機(jī)器，收到后解包后發(fā)現(xiàn)目的機(jī)器的mac地址跟自己的不同，也會(huì)丟掉這個(gè)包。

但是問(wèn)題就出在，這個(gè)非目的機(jī)器需要每次都在網(wǎng)卡收到包，并解完包，才發(fā)現(xiàn)原來(lái)這不是給它的消息，這。。。真，有被打擾到。

如果本地網(wǎng)段內(nèi)這樣的包滿天飛，也浪費(fèi)機(jī)器性能。

如果能用單播，那當(dāng)然是最好的。但這時(shí)候目的機(jī)器其實(shí)并沒(méi)有IP地址，有些系統(tǒng)在這種情況下能收單播包，有些則認(rèn)為不能收，這個(gè)跟系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。因此，對(duì)于能收單播包的系統(tǒng)，會(huì)在發(fā)DHCP Discover階段設(shè)一個(gè)Broadcast flag = 0 (unicast)的標(biāo)志位，告訴服務(wù)器，支持單播回復(fù)，于是服務(wù)器就會(huì)在DHCP Offer階段以單播的形式進(jìn)行回復(fù)。

Discover要求使用單播回復(fù)

是不是每次聯(lián)網(wǎng)都要經(jīng)歷DHCP四個(gè)階段？

只要想聯(lián)網(wǎng)，就需要IP，要用IP，就得走DHCP協(xié)議去分配。

但大家也發(fā)現(xiàn)了，DHCP第一階段和第二階段都可能會(huì)發(fā)廣播消息。對(duì)于家用電腦還好，插個(gè)網(wǎng)線，之后就雷打不動(dòng)。但像手機(jī)這樣的移動(dòng)設(shè)備，是要帶著到處跑的，坐個(gè)地鐵，進(jìn)個(gè)電梯，公司里到處走走，都可能會(huì)涉及到網(wǎng)絡(luò)切換。

這每次都要來(lái)一個(gè)完整的四階段，各種廣播消息滿天飛，其實(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不太友好。

于是問(wèn)題叒來(lái)了，是不是每次聯(lián)網(wǎng)都要經(jīng)歷DHCP四個(gè)階段？

當(dāng)然不需要。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)每次斷開(kāi)wifi再打開(kāi)wifi時(shí)，機(jī)子會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從沒(méi)網(wǎng)到有網(wǎng)的過(guò)程。

這時(shí)候去抓個(gè)包，會(huì)發(fā)現(xiàn)。

其實(shí)只發(fā)生了DHCP的第三和第四階段。這是因?yàn)闄C(jī)子記錄了曾經(jīng)使用過(guò) 192.168.31.170這個(gè)IP，重新聯(lián)網(wǎng)后，會(huì)優(yōu)先再次請(qǐng)求這個(gè)IP，這樣就省下了第一第二階段的廣播了。

另外需要注意的是，抓包圖里DHCP Request之所以出現(xiàn)兩次，是因?yàn)榈谝淮蜶equest發(fā)出后太久沒(méi)得到回應(yīng)，因此重發(fā)。

DHCP分配下來(lái)的IP一定不會(huì)重復(fù)嗎？

一般來(lái)說(shuō)DHCP服務(wù)器會(huì)在它維護(hù)的IP池里找到一個(gè)沒(méi)人用的IP分配給機(jī)子，

這個(gè)IP如果重復(fù)分配了，那本地網(wǎng)段內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)同樣的IP，這個(gè)IP下面卻對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的mac地址。但其他機(jī)器上的ARP緩存中卻只會(huì)記錄其中一條mac地址到IP的映射關(guān)系。

于是，數(shù)據(jù)在傳遞的過(guò)程中就會(huì)出錯(cuò)。

因此本地網(wǎng)段內(nèi)IP必須唯一。

那么DHCP分配下來(lái)的IP有沒(méi)有可能跟別的IP是重復(fù)的？

都這么問(wèn)了，那肯定是可能的。

有兩個(gè)常見(jiàn)的情況會(huì)出現(xiàn)IP重復(fù)。

文章開(kāi)頭提到，IP是可以自己手動(dòng)配的，自己配的IP是有可能跟其他DHCP分配下來(lái)的IP是相同的。解決方案也很簡(jiǎn)單，盡量不要手動(dòng)去配IP，統(tǒng)一走DHCP?；蛘咴贒HCP服務(wù)器里維護(hù)的IP范圍里，將這條IP剔除。

一個(gè)本地網(wǎng)段內(nèi)，是可以有多個(gè)DHCP服務(wù)器的，而他們維護(hù)的IP地址范圍是有可能重疊的，于是就有可能將相同的IP給到不同的機(jī)子。解決方案也很簡(jiǎn)單，修改兩臺(tái)DHCP服務(wù)器的維護(hù)的IP地址范圍，讓它們不重疊就行了。

不過(guò)吧，上面的解決方案，都需要有權(quán)限去修改DHCP服務(wù)器。

得到DHCP ACK之后立馬就能使用這個(gè)IP了嗎？

這就好像在問(wèn)，拿到offer之后你是第一時(shí)間就去上班嗎？

不。

你會(huì)先告訴你的同事同學(xué)朋友，甚至?xí)l(fā)朋友圈。

你的機(jī)子也一樣。

在得到DHCP ACK之后，機(jī)子不會(huì)立刻就用這個(gè)IP。

而是會(huì)先發(fā)三條ARP消息。

大家知道ARP消息的目的是通過(guò)IP地址去獲得mac地址。所以普通的ARP消息里，是填了IP地址，不填mac地址的。

但這三條ARP協(xié)議，比較特殊，它們叫無(wú)償ARP（Gratuitous ARP），特點(diǎn)是它會(huì)把IP和mac地址都填好了，而且填的還是自己的IP和mac地址。

目的有兩個(gè)。

一個(gè)是為了告訴本地網(wǎng)段內(nèi)所有機(jī)子，從現(xiàn)在起，xx IP地址屬于xx mac地址，讓大家記錄在ARP緩存中。

另一個(gè)就是看下本地網(wǎng)段里有沒(méi)有其他機(jī)子也用了這個(gè)IP，如果有沖突的話，那需要重新再走一次DHCP流程。

在三次無(wú)償ARP消息之后，確認(rèn)沒(méi)有沖突了，才會(huì)開(kāi)始使用這個(gè)IP地址進(jìn)行通信。

總結(jié)

電腦插上網(wǎng)線，聯(lián)網(wǎng)后會(huì)通過(guò)DHCP協(xié)議動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)IP，同時(shí)獲得子網(wǎng)掩碼，路由器地址等信息。

DHCP分為四個(gè)階段，分別是 Discover，Offer， Request和ACK。如果曾經(jīng)連過(guò)這個(gè)網(wǎng)，機(jī)器會(huì)記錄你上次使用的IP，再次連接時(shí)優(yōu)先使用原來(lái)的那個(gè)IP，因此只需要經(jīng)歷第三第四階段。

DHCP是應(yīng)用層協(xié)議，考慮到需要支持廣播功能，底層使用的是UDP協(xié)議，而不是TCP協(xié)議。

DHCP分配下來(lái)的IP是有可能跟某臺(tái)手動(dòng)配置的IP地址重復(fù)的。

DHCP得到IP之后還會(huì)發(fā)3次無(wú)償ARP通告，在確認(rèn)沒(méi)有沖突后開(kāi)始使用這個(gè)IP。

最后給大家留個(gè)問(wèn)題吧。我們上面的IP都是從DHCP服務(wù)器上申請(qǐng)的，在服務(wù)器返回DHCP Offer的時(shí)候，可以看到上面寫了DHCP服務(wù)器的IP。比如192.168.31.1，這明顯是個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的IP，但這能說(shuō)明，你的DHCP服務(wù)器一定在這個(gè)局域網(wǎng)里嗎？

審核編輯 ：李倩