DHCP协议 详解

Posted 2020-10-07

　DHCP: 动态主机配置协议 
　　TCP/IP协议想要运行正常的话，网络中的主机和路由器不可避免地需要配置一些信息（如接口的IP地址等）。有了这些配置信息主机/路由器才能提供/使用特定的网络服务。 
　　主机信息的必要元素有：IP地址、子网掩码、DNS服务器IP地址 
　　TCP/IP协议配置主机信息主要有三种方法： 
1. 手动配置 
2. 动态获取 
3. 根据特定算法计算。 
　　在网络中，我们把主机分为两大类，服务器主机和客户端主机， 
+ 服务器主机： 一般采用手动配置 
+ 客户端主机： 一般采用动态获取 
　　服务器一般采用手动配置，而客户端一般动态获取。主要基于以下原因： 
1. 客户主机比服务主机移动更频繁 
2. 服务主机需要提供更可靠的服务，其配置信息应该减少对其他系统/主机的依赖 
3. 客户主机比服务主机的数量要多得多。 
4. 客户主机使用者的网络配置知识比服务主机的使用者低

　　DHCP有Bootp协议发展而来。Bootp协议提供了有限的主机信息配置，且主机信息已经配置就很难被修改。DHCP提供 几乎所有的主机信息的配置，且引入了租约等概念，使得主机信息能够动态发生变化。 DHCP向后兼容Bootp。 
　　DHCP基于UDP/IP传输。DHCP服务器使用端口号67，DHCP 客户端使用端口号68.

DHCP 协议内容

DHCP 主要分为两部分： 地址的管理 和 配置信息的传递 
+ 地址管理： 地址管理处理IP‘地址的动态分配、向客户端提供地址租约 
+ 配置信息的传递： 包含DHCP报文格式、状态机

DHCP 地址管理

地址池 与 地址租约

　　在IP地址的动态分配中，DHCP客户端想DHCP服务器发送IP地址请求。DHCP服务器会维护一个 IP地址池，DHCP从地址池从取出一个IP回应给DHCP客户端。在地址分配时，DHCP服务器也会指定回应给DHCP客户端的IP地址的租约期，该地址只有在该租约期内可用，不过DHCP客户端可用在租约期内请求延长租约（更新租约期）。

DHCP 报文

 
Op： 报文类型，分为 两大类： Request（1） 和 Reply（2） 
HW Type： 硬件类型，一般是以太网：1 
HW Len： 硬件地址长度，单位字节。对应以太网：6（mac地址长度为6字节48bit） 
Transaction ID：事务ID，随机数，有客户端生成，服务器Reply时，会把Request中的Transaction拷贝到Reply报文中。 
Secs： 距离第一次发射IP请求或Renew请求过去的秒数 
Flags：标志位，目前仅第一个bit有使用，置1 标明广播 
Client IP Address：当前客户端的IP地址，如果当前客户端没有IP地址，则置0 
Your IP Address： 服务器想客户端提供IP地址时，会把IP地址填入本字段 
（Next）Server IP Address：客户端引导时需要的另一个服务器的IP地址 
Gateway （Relay） IP Address： 网关（中继）IP地址，有DHCP 中继器在转发DHCP报文的时候填入 
Server Name： Server名字，有64bytes，一般不使用，填充为0 
Boot File name： boot file的路径，128bytes， 一般不使用，填充为0 
Option： 选项，不定长度。 DHCP报文中比较重要的字段，后面会有比较详细的介绍。

DHCP Option

　　DHCP从Bootp拓展而来，DHCP报文也是有Bootp报文发展而来。但是DHCP在Bootp之上添加了许多功能，其报文也需要有一定的拓展。如果Bootp报文不能满足的内容，就以Option的形式存在于DHCP报文中。 
　　DHCP协议其实就是携带许多Option的Bootp 
　　DHCP有许多类型的Option，长度不一（但都是整数字节）。Option遵循以下格式 
+ 如果Option没有值，则只有标志位之类的内容，则以一个字节表示 
+ 如果Opiton有值，即Opiton是以下name-value对，则Opiton需要多个字节表示，其中第一个字节表示 option的名字，第二字节表示value的长度，第三个字节开始表示value。

　　DHCP支持大量的Option（Bootp也支持其中的部分），下面列举一些常用的

Option	名称	描述
0	Pad	填充位
1	Subnet Mask	子网 掩码
3	Router Address	路由器地址
6	DNS	DNS server
15	DN	域名
50	Requested IP Address	请求的IP地址
51	Address Lease Time	地址租约时间
53	DHCP Message Type	DHCP 消息类型，如Discover、Request、Offer、ACK等
54	Server Identifier	服务器标识
55	Parameter Request List	参数请求列表
56	DHCP Error Message	DHCP 错误消息
58	Lease Renewal Time	租约续期时间
59	Lease Rebinding Time	租约重新设定的时间
61	Client Identifier	客户标识
119	Domain Search List	域名查找列表
255	End	结束

上面是常用的Option，DHCP报文与Option 255标识报文的结束。 
在DHCP Option中，我们着重看下DHCP Message Type（53），DHCP Message Type标识DHCP消息类型，主要有一下类型

DHCP 消息类型	对应的Option值
DHCPDISCOVER	1
DHCPOFFER	2
DHCPREQUEST	3
DHCPDECLINE	4
DHCPACK	5
DHCPNAK	6
DHCPRELEASE	7
DHCPINFORM	8
DHCPFORCERENEW	9
DHCPLEASEQUERY	10
DHCPLEASEUNASSIGNED	11
DHCPLEASEUNKNOWN	12
DHCPLEASEACTIVE	13

DHCP 协议 操作流程

主机新加入网络时，获取IP的流程 
1. 新的client加入网络时，会使用0.0.0.0作为源地址，发送discover广播报文，查询网络上有哪些DHCP server，以及这些DHCP server 能Offer哪些IP地址 
2. DHCP服务器接收到DHCP Discover报文后，回应Offer报文，提供IP地址（可能包含DNS等其他信息）给client 
3. client 根据收到的Offer报文，选择一个DHCP server，并选择它提供的IP地址。然后广播Request报文，想DHCP Server请求该IP地址，同时想本地网络（尤其是其他DHCP Server）公告自己已经选择了某个DHCP Server的某个IP地址。 
4. DHCP Server 回应ACK报文，将IP地址分配给Client端 （特殊情况：DHCP Server在发送Offer报文和接收到Request的短暂时间内把IP分配给了其他主机） 
5. DHCP Client 收到ACK报文后，会针对获得的IP地址发送ARP Request，进行IP地址冲突检测。 
6. 如果IP地址已经被其他主机使用，则Client放弃该IP地址，想Server发送DHCP DECLINE报文告诉Server该地址不能使用。然后一段时间后（一般10s）再此尝试获取该IP地址 
7. 如果Client仍然无法使用该IP地址，则发送DHCP RELEASE报文，放弃该地址。

主机已经有IP地址，只想更新租约 
1. 此时可以跳过DHCP Discover报文和DHCP Offer报文 
2. Client发送携带当前IP地址的Request报文 
3. 如果Server同意Client续约，则发送DHCP ACK报文。如果拒绝续约，则发送DHCPNAK报文。

* 主机只想更新IP地址以外的信息* 
用DHCPINFORM 取代 DHCP Request报文。