网络之DHCP原理

一:DHCP工作原理

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1.什么是DHCP协议

DHCP，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，常用的2个端口：67(DHCP server),68(DHCP client)。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。

2.DHCP协议中的报文

DHCP报文共有一下几种：

DHCP DISCOVER :  客户端开始DHCP过程发送的包，是DHCP协议的开始

DHCP OFFER ：  服务器接收到DHCP DISCOVER之后做出的响应，它包括了给予客户端的IP（yiaddr）、客户端的MAC地址、租约过期时间、服务器的识别符以及其他信息

DHCP REQUEST ：  客户端对于服务器发出的DHCP OFFER所做出的响应。在续约租期的时候同样会使用。

DHCP ACK ：  服务器在接收到客户端发来的DHCP REQUEST之后发出的成功确认的报文。在建立连接的时候，客户端在接收到这个报文之后才会确认分配给它的IP和其他信息可以被允许使用。

DHCP NAK ：  DHCP ACK的相反的报文，表示服务器拒绝了客户端的请求。

DHCP RELEASE ：  一般出现在客户端关机、下线等状况。这个报文将会使DHCP服务器释放发出此报文的客户端的IP地址

DHCP INFORM ：  客户端发出的向服务器请求一些信息的报文

DHCP DECLINE :  当客户端发现服务器分配的IP地址无法使用（如IP地址冲突时），将发出此报文，通知服务器禁止

使用该IP地址。

DHCP 的 工作流程：

3.DHCP协议包的组成

Xid :  随机生成的一段字符串，两个数据包拥有相同的xid说明他们属于同一次会话

Ciaddr :  客户端会在发送请求时将自己的ip地址放在此处

Yiaddr :  服务器会将想要分配给客户端的ip地址放在此处

Siaddr :  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 （下图中wireshark抓包中也有标明siaddr为nextserver ip address）

Chaddr :  客户端的mac地址

Giaddr :  如果需要跨子网进行DHCP地址发放，则在此处填入经过的路由器的ip地址

Sname :  服务器主域名

Options :  可以自由添加的部分，用于存放客户端向服务器请求信息和服务器的应答信息

二:DHCP客户端

1.什么是DHCP客户端

 DHCP客户端一般来说是局域网中独立的PC主机。

 DHCP客户端发出的DHCP DISCOVER包是DHCP协议的开始。

 延续租期、发现、释放IP地址等大多数DHCP中的行为都是由DHCP客户端主动发起。

2.DHCP自动状态机

DHCP获得ip地址的4步骤：discover­>offer­>request­>ack(nak)

DHCP刷新租期的步骤：request­>ack(nak)

DHCP释放ip的步骤：release

wnr2000v5 1.0.0.8的代码中没有发现rebooting、init­reboot状态。所以DHCP client的状态一般从init开始，完整的状态机如下图（红色代表客户端的状态跳转）：

三:DHCP服务端

1.什么是DHCP SERVER

DHCP SERVER指的是服务器端，在路由器上体现的就是给LAN端动态分配IP的功能。DHCP SERVER负责接收客户端的DHCP请求，管理LAN端所有的IP网络设定资料，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。其地址分配方式有三种，分别是人工配置（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），动态配置（在一定的期限内将地址租给计算机，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。

2.两个租约表

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）。

3.基本原理

原则上DHCP SERVER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。

执行回复动作：

DHCPOFFER：

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：

a.server试图分配给client上次分配过的IP，在这之前检查这个IP是否正在使用。

b.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。

c.discover不含request ip，从地址池上寻找一个最小的可用IP分配。

DHCPACK:  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：

a.若client处于selecting状态，验证request ip和server ip是否同服务器中的匹配。

b.若client处于init_reboot状态，验证request ip是否符合租约记录。

c.若client处于renewing/rebinding状态，验证client ip address是否符合租约记录。

DHNAK  :

a.请求的IP是静态IP，但是MAC地址无法与其对应。

b.上面DHCPACK中验证失败。

服务器还可能会收到其他包:

DHCPDECLINE:  server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。

DHCPRELEASE:  清空租期回收IP。

DHCPINFORM:  回复DHCPACK，数据包含有关于server的信息。

四：解析DHCP的工作方式

1.当一台机器新加入一个网络的时候，它只知道自己的MAC地址，如何获取IP呢？ 这一步我们称为DHCP Discover. 新机器使用IP地址0.0.0.0发送一个广播包，目的IP为255.255.255.255. 广播包封装了UDP，UDP封装了BOOTP。 广播报的内容像这样：  

2.如果一个网络管理员在网络里面配置了DHCP Server的话，他就相当于这些IP的管理员，他立刻知道来了一个“新人”，会租给它一个IP地址，这个过程我们称为DHCP Offer. DHCP Offer的格式如下：

3.如果有多个DHCP Server，这台新机器会收到多个IP地址，它会选择其中一个DHCP Offer，一般是最先到达的那个，并且会向网络发送一个DHCP Request广播数据包，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服务地址等。

4.DHCP Server接收到客户机的DHCP request之后，会广播返回给客户机一个DHCPACK 消息包，表明已接收客户机的选择。