网络协议之DHCP详解20181231

一、什么是DHCP

　　DHCP RFC2131，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。

 

二、DHCP协议中的报文

1.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。

 

2.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

见图1

 

Options号

Options作用

1

设置子网掩码选项。

3

设置网关地址选项。

6

设置DNS服务器地址选项。

12

设置域名选项。

15

设置域名后缀选项。

33

设置静态路由选项。该选项中包含一组有分类静态路由(即目的地址的掩码固定为自然掩码,不能划分子网),客户端收到该选项后,将在路由表中添加这些静态路由。如果存在Option121,则忽略该选项。

44

设置NetBios服务器选项。

46

设置NetBios节点类型选项。

50

设置请求IP选项。

51

设置IP地址租约时间选项。

52

设置Option附加选项。

53

设置DHCP消息类型。

54

设置服务器标识。

55

设置请求参数列表选项。客户端利用该选项指明需要从服务器获取哪些网络配置参数。该选项内容为客户端请求的参数对应的选项值。

58

设置续约T1时间,一般是租期时间的50%。

59

设置续约T2时间。一般是租期时间的87.5%。

60

设置厂商分类信息选项,用于标识DHCP客户端的类型和配置。

61

设置客户端标识选项。

66

设置TFTP服务器名选项,用来指定为客户端分配的TFTP服务器的域名。

67

设置启动文件名选项,用来指定为客户端分配的启动文件名。

77

设置用户类型标识。

121

设置无分类路由选项。该选项中包含一组无分类静态路由(即目的地址的掩码为任意值,可以通过掩码来划分子网),客户端收到该选项后,将在路由表中添加这些静态路由。

148

EasyDeploy中Commander的IP地址。

149

SFTP和FTPS服务器的IP地址。

150

设置TFTP服务器地址选项,指定为客户端分配的TFTP服务器的地址

 

 

三、DHCP 的 工作流程

见图2

 

四、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）：

         见图3

 

五、DHCP Server

1、简述

 　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、基本逻辑

　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：

         1.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。

         2.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。

         3.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：

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

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

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

DHNAK:

         1.请求的IP是静态IP，但是MAC地址无法与其对应。

         2.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。

 

六、租约续约

DHCP服务器将IP地址提供给DHCP客户端时，会包含租约的有效期，默认租约期限为8天（691200秒）。除了租约期限外，还具有两个时间值T1和T2，其中T1定义为租约期限的一半，默认情况下是四天（345600秒），而T2定义为租约期限的的7/8，默认情况下为7天（604800秒）。当到达T1定义的时间期限时，DHCP客户端会向提供租约的原始DHCP服务器发起DHCP REQUEST请求对租约进行更新，如果DHCP服务器接受此请求则回复DHCP ACK消息，包含更新后的租约期限；如果DHCP服务器不接受DCHP客户端的租约更新请求（例如此IP已经从作用域中去除），则向DHCP客户端位于回复DHCP NACK消息，此时DHCP客户端立即发起DHCP DISCOVER进程以寻求IP地址。如果DHCP客户端没有从DHCP服务器得到任何回复，则继续使用此IP地址直到到达T2定义的时间限制。此时，DHCP客户端再次向提供租约的原始DHCP服务器发起DHCP REQUEST请求对租约进行更新，如果仍然没有得到DHCP服务器的回复则发起DHCP DISCOVER进程以寻求IP地址。在Windows 2000中微软官方说明到

 

七、代码实现

https://github.com/fengweiyu/DHCP

 

八、参考资料

https://baike.baidu.com/item/DHCP/218195?fr=aladdin

https://www.cnblogs.com/happygirl-zjj/p/5976526.html

https://blog.csdn.net/who538592/article/details/54927586?locationNum=3&fps=1

https://blog.csdn.net/jiang1818608/article/details/78343500

https://www.cnblogs.com/hwl1023/p/3483886.html

https://www.aliyun.com/jiaocheng/192502.html

https://yq.aliyun.com/articles/491032

来源：https://www.cnblogs.com/yuweifeng/p/10203581.html