手工配置IP地址麻煩還會出錯(cuò)？普及下DHCP的各種工作原理

在終端規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中手工配置IP地址時(shí)，為避免IP地址重復(fù)，需要事先規(guī)劃每個(gè)終端的IP地址，導(dǎo)致工作量大且容易出錯(cuò)!

當(dāng)終端位置經(jīng)常變更時(shí)（例如企業(yè)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(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通？

其實(shí)吧，有了動態(tài)主機(jī)配置協(xié)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(dān)心手工配錯(cuò)，費(fèi)神費(fèi)力了。

DHCP能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)為主機(jī)分配IP地址，而且是目前應(yīng)用很廣泛的一種技術(shù)。例如，辦公室，網(wǎng)吧里的固定PC；咖啡廳，機(jī)場等提供WIFI接入的地方用手機(jī)上網(wǎng)，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(tài)主機(jī)配置協(xié)議，前身是BOOTP協(xié)議，是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用UDP協(xié)議工作，常用的2個(gè)端口：

67(DHCP server),68(DHCP client)。

DHCP通常被用于局域網(wǎng)環(huán)境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client動態(tài)的獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務(wù)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(gè)不需要賬號密碼登錄的、自動給內(nèi)網(wǎng)機(jī)器分配IP地址等信息的協(xié)議。

二、DHCP協(xié)議中的報(bào)文

DHCP報(bào)文共有以下幾種：

DHCP DISCOVER：客戶端開始DHCP過程發(fā)送的包，是DHCP協(xié)議的開始

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

DHCP REQUEST ：客戶端對于服務(wù)器發(fā)出的DHCP OFFER所做出的響應(yīng)。在續(xù)約租期的時(shí)候同樣會使用。

DHCP ACK ：服務(wù)器在接收到客戶端發(fā)來的DHCP REQUEST之后發(fā)出的成功確認(rèn)的報(bào)文。在建立連接的時(shí)候，客戶端在接收到這個(gè)報(bào)文之后才會確認(rèn)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(bào)文，表示服務(wù)器拒絕了客戶端的請求。

DHCP RELEASE ：一般出現(xiàn)在客戶端關(guān)機(jī)、下線等狀況。這個(gè)報(bào)文將會使DHCP服務(wù)器釋放發(fā)出此報(bào)文的客戶端的IP地址。

DHCP INFORM ：客戶端發(fā)出的向服務(wù)器請求一些信息的報(bào)文。

DHCP DECLINE :當(dāng)客戶端發(fā)現(xiàn)服務(wù)器分配的IP地址無法使用（如IP地址沖突時(shí)），將發(fā)出此報(bào)文，通知服務(wù)器禁止使用該IP地址。

DHCP的工作流程：

三、DHCP協(xié)議包的組成

Xid :隨機(jī)生成的一段字符串，兩個(gè)數(shù)據(jù)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(fā)送請求時(shí)將自己的ip地址放在此處。

Yiaddr :服務(wù)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(wù)器的ip地址.但是注意！根據(jù)openwrt源碼給出的注釋，當(dāng)報(bào)文的源地址、siaddr、option->server_id字段不一致（有經(jīng)過跨子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)）時(shí)，通常認(rèn)為option->srever_id字段為真正的服務(wù)器ip，siaddr有可能是多次路由跳轉(zhuǎn)中的某一個(gè)路由的ip （下圖中wireshark抓包中也有標(biāo)明siaddr為nextserver ip address）。

Chaddr:客戶端的mac地址。

Giaddr :如果需要跨子網(wǎng)進(jìn)行DHCP地址發(fā)放，則在此處填入經(jīng)過的路由器的ip地址。

Sname :服務(wù)器主域名。

Options :可以自由添加的部分，用于存放客戶端向服務(wù)器請求信息和服務(wù)器的應(yīng)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(wǎng)中獨(dú)立的PC主機(jī)。

DHCP客戶端發(fā)出的DHCP DISCOVER包是DHCP協(xié)議的開始。

延續(xù)租期、發(fā)現(xiàn)、釋放IP地址等大多數(shù)DHCP中的行為都是由DHCP客戶端主動發(fā)起。

二、DHCP 自動狀態(tài)機(jī)

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(fā)現(xiàn)rebooting、init-reboot狀態(tài)。所以DHCP client的狀態(tài)一般從init開始，完整的狀態(tài)機(jī)如下圖（紅色代表客戶端的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)）：

DHCP工作過程詳解

一、DHCP客戶機(jī)初始化：

1.尋找DHCP Server

當(dāng)DHCP客戶機(jī)第一次登錄網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候（也就是客戶機(jī)上沒有任何IP地址數(shù)據(jù)時(shí)），它會通過UDP 67端口向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出一個(gè)DHCPDISCOVER數(shù)據(jù)包（包中包含客戶機(jī)的MAC地址和計(jì)算機(jī)名等信息）。因?yàn)榭蛻魴C(jī)還不知道自己屬于哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所以封包的源地址為0.0.0.0，目標(biāo)地址為255.255.255.255，然后再附上DHCP discover的信息，向網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播。

DHCP discover的等待時(shí)間預(yù)設(shè)為1秒，也就是當(dāng)客戶機(jī)將第一個(gè)DHCP discover封包送出去之后，在1秒之內(nèi)沒有得到回應(yīng)的話，就會進(jìn)行第二次DHCP discover廣播。若一直沒有得到回應(yīng)，客戶機(jī)會將這一廣播包重新發(fā)送四次（以2，4，8，16秒為間隔，加上1-1000毫秒之間隨機(jī)長度的時(shí)間）。如果都沒有得到DHCP Server的回應(yīng)，客戶機(jī)會從169.254.0.0/16這個(gè)自動保留的私有IP地址中選用一個(gè)IP地址。并且每隔5分鐘重新廣播一次，如果收到某個(gè)服務(wù)器的響應(yīng)，則繼續(xù)IP租用過程。

2. 提供IP地址租用

當(dāng)DHCP Server監(jiān)聽到客戶機(jī)發(fā)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(shè)定，通過UDP 68端口響應(yīng)給客戶機(jī)一個(gè)DHCP OFFER數(shù)據(jù)包（包中包含IP地址、子網(wǎng)掩碼、地址租期等信息）。此時(shí)還是使用廣播進(jìn)行通訊，源IP地址為DHCP Server的IP地址，目標(biāo)地址為255.255.255.255。同時(shí)，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(jī)在開始的時(shí)候還沒有IP地址，所以在其DHCP discover封包內(nèi)會帶有其MAC地址信息，并且有一個(gè)XID編號來辨別該封包，DHCP Server響應(yīng)的DHCP OFFER封包則會根據(jù)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(jī)收到網(wǎng)絡(luò)上多臺DHCP服務(wù)器的響應(yīng)，只會挑選其中一個(gè)DHCP OFFER（一般是最先到達(dá)的那個(gè)），并且會向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)DHCP REQUEST廣播數(shù)據(jù)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(wù)器地址等），告訴所有DHCP Server它將接受哪一臺服務(wù)器提供的IP地址，所有其他的DHCP服務(wù)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(shí)，由于還沒有得到DHCP Server的最后確認(rèn)，客戶端仍然使用0.0.0.0為源IP地址，255.255.255.255為目標(biāo)地址進(jìn)行廣播。

事實(shí)上，并不是所有DHCP客戶機(jī)都會無條件接受DHCP Server的OFFER，特別是如果這些主機(jī)上安裝有其它TCP/IP相關(guān)的客戶機(jī)軟件?？蛻魴C(jī)也可以用DHCP REQUEST向服務(wù)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。客戶機(jī)可以保留自己的一些TCP/IP設(shè)定。

4.租約確認(rèn)

當(dāng)DHCP Server接收到客戶機(jī)的DHCP REQUEST之后，會廣播返回給客戶機(jī)一個(gè)DHCP ACK消息包，表明已經(jīng)接受客戶機(jī)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(fā)給客戶機(jī)。

客戶機(jī)在接收到DHCP ACK廣播后，會向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送三個(gè)針對此IP地址的ARP解析請求以執(zhí)行沖突檢測，查詢網(wǎng)絡(luò)上有沒有其它機(jī)器使用該IP地址；如果發(fā)現(xiàn)該IP地址已經(jīng)被使用，客戶機(jī)會發(fā)出一個(gè)DHCP DECLINE數(shù)據(jù)包給DHCP Server，拒絕此IP地址租約，并重新發(fā)送DHCP discover信息。此時(shí)，在DHCP服務(wù)器管理控制臺中，會顯示此IP地址為BAD_ADDRESS。

如果網(wǎng)絡(luò)上沒有其它主機(jī)使用此IP地址，則客戶機(jī)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(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)進(jìn)行通訊。

二、DHCP客戶機(jī)租期續(xù)約：

客戶機(jī)會在租期過去50%的時(shí)候，直接向?yàn)槠涮峁㊣P地址的DHCP Server發(fā)送DHCP REQUEST消息包。如果客戶機(jī)接收到該服務(wù)器回應(yīng)的DHCP ACK消息包，客戶機(jī)就根據(jù)包中所提供的新的租期以及其它已經(jīng)更新的TCP/IP參數(shù)，更新自己的配置，IP租用更新完成。如果沒有收到該服務(wù)器的回復(fù)，則客戶機(jī)繼續(xù)使用現(xiàn)有的IP地址，因?yàn)楫?dāng)前租期還有50%。

如果在租期過去50%的時(shí)候沒有更新，則客戶機(jī)將在租期過去87.5%的時(shí)候再次向?yàn)槠涮峁㊣P地址的DHCP聯(lián)系。如果還不成功，到租約的100%時(shí)候，客戶機(jī)必須放棄這個(gè)IP地址，重新申請。如果此時(shí)無DHCP可用，客戶機(jī)會使用169.254.0.0/16中隨機(jī)的一個(gè)地址，并且每隔5分鐘再進(jìn)行嘗試。

審核編輯：劉清