DHCP协议详解

0. 前言
1. DHCP协议
- 1.1 DHCP报文种类
- 1.2 DHCP报文格式
2. DHCP工作流程
- 2.1 IP地址分配方式
- 2.2 租约表
- 2.3 工作流程
- 2.4 服务器处理流程

0. 前言

前言主要给大家介绍下什么是DHCP？以及为什么使用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。

在IP网络中，每个连接Internet的设备都需要分配唯一的IP地址。DHCP使网络管理员能从中心结点监控和分配IP地址。当某台计算机移到网络中的其它位置时，能自动收到新的IP地址。DHCP实现的自动化分配IP地址不仅降低了配置和部署设备的时间，同时也降低了发生配置错误的可能性。另外DHCP服务器可以管理多个网段的配置信息，当某个网段的配置发生变化时，管理员只需要更新DHCP服务器上的相关配置即可，实现了集中化管理。

总体来看，DHCP带来了如下优势：

准确的IP配置：IP地址配置参数必须准确，并且在处理“ 192.168.XXX.XXX”之类的输入时，很容易出错。另外印刷错误通常很难解决，使用DHCP服务器可以最大程度地降低这种风险。
减少IP地址冲突：每个连接的设备都必须有一个IP地址。但是，每个地址只能使用一次，重复的地址将导致无法连接一个或两个设备的冲突。当手动分配地址时，尤其是在存在大量仅定期连接的端点（例如移动设备）时，可能会发生这种情况。DHCP的使用可确保每个地址仅使用一次。
IP地址管理的自动化：如果没有DHCP，网络管理员将需要手动分配和撤消地址。跟踪哪个设备具有什么地址可能是徒劳的，因为几乎无法理解设备何时需要访问网络以及何时需要离开网络。DHCP允许将其自动化和集中化，因此网络专业人员可以从一个位置管理所有位置。
高效的变更管理：DHCP的使用使更改地址，范围或端点变得非常简单。例如，组织可能希望将其IP寻址方案从一个范围更改为另一个范围。DHCP服务器配置有新信息，该信息将传播到新端点。同样，如果升级并更换了网络设备，则不需要网络配置。

1. DHCP协议

1.1 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：

报文类型	说明
Discover（0x01）	DHCP客户端在请求IP地址时并不知道DHCP服务器的位置，因此DHCP客户端会在本地网络内以广播方式发送Discover请求报文，以发现网络中的DHCP服务器。所有收到Discover报文的DHCP服务器都会发送应答报文，DHCP客户端据此可以知道网络中存在的DHCP服务器的位置。
Offer（0x02）	DHCP服务器收到Discover报文后，就会在所配置的地址池中查找一个合适的IP地址，加上相应的租约期限和其他配置信息（如网关、DNS服务器等），构造一个Offer报文，发送给DHCP客户端，告知用户本服务器可以为其提供IP地址。但这个报文只是告诉DHCP客户端可以提供IP地址，最终还需要客户端通过ARP来检测该IP地址是否重复。
Request（0x03）	DHCP客户端可能会收到很多Offer请求报文，所以必须在这些应答中选择一个。通常是选择第一个Offer应答报文的服务器作为自己的目标服务器，并向该服务器发送一个广播的Request请求报文，通告选择的服务器，希望获得所分配的IP地址。另外，DHCP客户端在成功获取IP地址后，在地址使用租期达到50%时，会向DHCP服务器发送单播Request请求报文请求续延租约，如果没有收到ACK报文，在租期达到87.5%时，会再次发送广播的Request请求报文以请求续延租约。
ACK（0x05）	DHCP服务器收到Request请求报文后，根据Request报文中携带的用户MAC来查找有没有相应的租约记录，如果有则发送ACK应答报文，通知用户可以使用分配的IP地址。
NAK（0x06）	如果DHCP服务器收到Request请求报文后，没有发现有相应的租约记录或者由于某些原因无法正常分配IP地址，则向DHCP客户端发送NAK应答报文，通知用户无法分配合适的IP地址。
Release（0x07）	当DHCP客户端不再需要使用分配IP地址时（一般出现在客户端关机、下线等状况）就会主动向DHCP服务器发送RELEASE请求报文，告知服务器用户不再需要分配IP地址，请求DHCP服务器释放对应的IP地址。
Decline（0x04）	DHCP客户端收到DHCP服务器ACK应答报文后，通过地址冲突检测发现服务器分配的地址冲突或者由于其他原因导致不能使用，则会向DHCP服务器发送Decline请求报文，通知服务器所分配的IP地址不可用，以期获得新的IP地址。
Inform（0x08）	DHCP客户端如果需要从DHCP服务器端获取更为详细的配置信息，则向DHCP服务器发送Inform请求报文；DHCP服务器在收到该报文后，将根据租约进行查找到相应的配置信息后，向DHCP客户端发送ACK应答报文。目前基本上不用了。

1.2 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"。

代码	长度（字节）	说明
1	4	子网掩码
3	长度可变，必须是4字节的倍数	默认网关（可以是一个路由器IP地址列表）
6	长度可变，必须是4字节的倍数	DNS服务器（可以是一个DNS服务器IP地址列表）
15	长度可变	域名称（主DNS服务器名称）
42	长度可变，必须是4字节的倍数	NTP服务器（可以是一个NTP服务器IP地址列表）
44	长度可变，必须是4字节的倍数	WINS服务器（可以是一个WINS服务器IP地址列表）
51	4	有效租约期（以秒为单位）
53	1	报文类型（1 ~ 8）分别表示：Discover，Offer，Request，Decline，ACK，NAK，Release，Inform
58	4	续约时间
60	长度可变	Authentication for DHCP Message，用来完成基于标准DHCP协议，以在客户端输入用户名和密码的方式进行地址鉴权主要用在按用户认证收费场合，与之对应的是pppoe认证计费
255	0	标记options结束

2. DHCP工作流程

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

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