DHCP 动态主机设置协议 分析

在TCP/IP网络中，每个接口都需要一个IP地址、子网掩码和广播地址（ IPv6中没有），简单来说就是需要网络配置信息。如果想访问外部网络可以通过DNS获取外部地址，再通过路由间接转发出去。但是在“家乡网络”（本网）中想要通信，就需要知道自己的信息以及其他人的信息。自己的信息可以自己配置，其他人的信息可以通过ARP询问。

当然，自己的信息怎么知道的，需要问网络管理员，或者DHCP也知道。

DHCP（动态主机设置协议，Dynamic Host Configuration Protocol，RFC[2131]）

title: 提醒
如果了解ARP会更好
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一些概念

dhcp 的层次结构

dhcp 是位于应用层的一个应用程序，是基于 BOOTP （BootStrap协议），使用的是它的68（服务端）和 67 （客户端）这两个端口

dhcp可以通过以下三种方式配置：
1. 手动配置
2. 自动配置
例如无状态地址自动配置（SLAAC）
3. 动态分配

地址池与租用

当DHCP客户机请求分配一个IP地址，服务器从可用的地址池中选择一个地址作为响应。这个地址池是创建DHCP是给定的一段可分配的IP地址。

分配给客户机的地址只在一段时间内有效，这段时间称为租用期
客户机可以在这个地址快要到期时请求延长租用期，这个称谓续订

DHCP服务器会将租用信息保存在持久性存储器中，通常是非易失性内存或磁盘中来防止丢失。

DHCP 和 BOOTP 消息格式

DHCP扩展了BOOTP（他是DHCP前身）。DHCP消息格式的定义采用扩展BOOTP（bootstrap protocal）的方式

• 消息类型： 用来标识消息的类型，有两个值分别是：
  • 请求（1）
  • 应答（2）
• 硬件类型：基于ARP使用的值，最常见的是1（以太网 Ethernet）
• 硬件地址长度：用来存放硬件地址的长度，以太网是MAC地址长度（6）
• 跳步数：用来保存消息传输过程中的中继次数。消息发送方设为0，并在每次中继后递增
• 事务ID：客户机随机选择的一个随机数，服务器需要将它复制到相应中，用于将应答（ACK）和请求匹配
• 秒数：由客户机设置，它是第一次尝试申请后重新申请地址经过的秒数
  • 通常客户机可以重新申请一个地址
• 标志：客户机可以设置该位来表示不能或不愿意处理单播IP数据报，但可处理广播数据报，通知服务器和中继代理，广播地址可用于响应中。
• 你的 IP：服务器提供，表示分配的IP
• 下一服务器IP地址：用于客户机的引导过程。
• 网关（中继）Ip地址：由DHCP或BOOTP中继器提供，转发DHCP消息时返回自己的地址。
• 客户机硬件地址字段：保存客户机的唯一标识符。通常为客户机的MAC地址。
• 服务器名称和引导文件名：并不需要每次都填写，表示服务器名或启动文件路径。
• magic cookie：用来表示后面的 option是 BOOTP 还是DHCP [RFC 1497 , Vendor Information "Magic Cookie"]
• 选项：携带一些额外数据。下面是一些常见的选项

名称	值
选项包括填充	0
子网掩码	1
路由器地址	3
域名服务器	6
域名	15
请求的IP地址	50
地址租用期	51
DHCP消息类型	53
服务器标识符	54
参数请求列表	55
DHCP错误消息	56
租约更新时间	58
租约重新绑定时间	59
客户机标识符	61
域搜索列表	119
结束	255

DHCP消息类型比较重要，该选项是1字节长的选项，DHCP消息一定会使用它，它有以下可能值

名称	值	RFC
DHCPDISCOVER	1	RFC3203
DHCPOFFER	2	RFC3203
DHCPREQUEST	3	RFC3203
DHCPDECLINE	4	RFC3203
DHCPACK	5	RFC3203
DHCPNAK	6	RFC3203
DHCPRELEASE	7	RFC3203
DHCPINFORM	8	RFC3203
DHCPORCERENEW	9	RFC3203
DHCPLEASEQUERY	10	RFC4388
DHCPLEASEUNASSIGNED	11	RFC4388
DHCPLEASEUNKNOWN	12	RFC4388
DHCPLEASEACTIVE	13	RFC4388

DHCP的工作方式

常见的申请DHCP方式

下图是测试的网络拓扑图
将使用PC2 申请 IP

PC2:

dhcp

抓去线路 Router1 -> Switch1 中的包，结果如下：

两个DHCP服务器收到 Discover 就通过ARP查询有无IP冲突，当发现没有冲突会发送一个 offer ，表示已经处理了申请请求，之后客户机发送一个 Request 表示自己已经接受到了DHCP服务器的请求（这是为了确保多个DHCP服务器提供IP）
，如下图所示（过滤了ARP），另外一个DHCP同样发送了一个 offer

客户机接受谁的 offer 就向那个DHCP服务器发 Request ，之后DHCP服务器接收到了会返回一个 ACK。

上图中还能看到不少ARP的包。
首先，12-14（第一张图）的包是两个DHCP服务器最大程度解决本网络中不会发生IP碰撞。当没有收到有相同IP发出的ARP包，则会向DHCP客户机发送 offer 。

之后客户机会发送ACD（IPv4 地址冲突检测）来通告本网中自己在使用该IP地址，来确保其他人不会用。

TCP/IP详解中图特别清晰明了：

dhcp的续租

首先，将获取到的 IP 释放

下图是 Release 报文

Seconds elapsed 为从获得到该IP到IP释放所过去的秒数，其他类型的报文中该字段都为0
只有 Release 报文会携带该字段
Option 53 ，表示 DHCP消息类型 ，该值为7 表示是一个 Release。
客户机已经释放了该IP

修改DHCP服务器的 lease 使得客户机每30S需要续租 ：

如上图所示，之后客户机会每隔30S申请一次（这里是32S）

客户机向服务器发送Request ， 服务器收到并发送一个ACK

dhcp 客户机 重新获取

无非就是再走一遍获取流程

参考与使用的工具

参考：
TCP/ IP 详解 卷一
工具：
gns3
Wireshark