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一、概述

大家都知道，为了使用TCP/IP协议族，每台主机和路由器需要一定的配置信息。

下面是一个简单的例子：

某学校的教学办公区域将要布置数百台计算机，每台都需要分配IP，如何实现对这些数量巨大的主机进行IP分配？
最简单的方法自然是手动逐一为每台主机分配IP，但这即繁琐，同时也需要时刻注意分配的IP是否冲突。
而DHCP协议，就是用来帮助我们自动为网络中的主机分配IP的。

1、DHCP的概念：

• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）通常被应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使网络环境中的主机(有时也为路由器)动态的获得IP地址、网关地址和DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。
• 由于DHCP是C/S模式运行的，所以使用DHCP的设备为客户端，而提供DHCP服务的为服务端。DHCP客户端可以让设备自动地从DHCP服务器获得IP地址以及其他配置参数。DHCP服务器端控制一段IP地址范围，客户端登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码。

2、DHCP地址池(为什么分配地址最大不能超过主机？):

• DCHP服务器分配给DHCP客户端的地址范围。
• 设置地址池时结束IP不应超过当前网段的最大主机地址，如起始地址为172.16.0.1/16，则最大允许设置分配172.16.0.1_{172.16.255.255这个范围内的地址，当然也可在这个范围内设置更少的地址，如172.16.0.1}172.16.1.1，则是256个地址可用于分配，或172.16.0.10~172.16.0.15，则是6个地址可用于分配。
• 设置地址池时，地址池中不应当包含DHCP服务器自身的LAN地址，否则可能造成地址冲突。

3、DHCP租期：

• 当一个IP分配给MAC地址（指客户端网卡，每一个网卡都有对应的MAC地址作为网络中的唯一标识）后，在租期内，默认这个MAC地址的IP为该地址，不再进行分配。 当到期后，该地址被回收，重新分配。
• 设置地址租期，对于减轻DHCP压力，网络稳定有一定的好处，但是有些时候网络会因此出现诸如IP地址不够等一些问题。

4、DHCP分配地址的方式：

• 自动分配方式：在这种方式下DHCP服务器会给主机一个永久性的IP地址，只要DHCP的客户端第一次能够成功的从DHCP服务端获得IP地址，那么它就可以永久性的的使用该地址了。
• 动态分配方式：是指主机会获得一个有时间限制的IP地址，当时间到期或者主机主动放弃该地址的时候，这个地址才能被其它地址使用。
• 手工分配方式：客户端的IP地址由网络管理员指定，DHCP服务器只是将指定的IP地址告诉给客户端主机。

5、常用端口：

• DHCP Server端，使用UDP端口：67
• DHCP Client端，使用UDP端口：68

6、DHCP报文类型：

• 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：（此时DHCP客户端没有IP地址，所以DHCP服务器同样使用广播进行通讯）
• DHCP REQUEST ： 客户端对于服务器发出的 DHCP OFFER 所做出的响应，包含了DHCP客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器地址等信息。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，包含了租约期限及其他TCP/IP选项信息。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（ACK包中包含了客户端的MAC地址）。
• 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。

7、openwrt中的dhcp服务是由dnsmasq进程提供的，此进程也可通过配置提供dns服务。

二、DHCP工作过程（附抓包分析）

DHCP的实现分为4步，分别是：

• 第一步：Client端在局域网内发起一个DHCP　Discover包，目的是想发现能够给它提供IP的DHCP Server。

• 第二步：可用的DHCP Server接收到Discover包之后，通过发送DHCP Offer包给予Client端应答，意在告诉Client端它可以提供IP地址。

• 第三步：Client端接收到Offer包之后，发送DHCP Request包请求分配IP。

• 第四步：DHCP Server发送ACK数据包，确认信息。

实例数据包如下：

• DHCP Discover:

• DHCP Offer:

• DHCP Request:

• DHCP ACK:

正常来说，一次DHCP过程只需要上面状态机的前四步，后面的续约是在DHCP的租期到达1/2和3/4的时候`进行的。

DHCP REQUEST首次必须是广播——为了告诉所有DHCP服务器自己已经做出选择，接受了某个DHCP服务器的租约。之后可单播

三、DHCP状态机（完整状态机可以下去自己抓包分析）

• 1.客户机开始处于Init状态：没有信息，并广播DHCP DISCOVER消息

• 2.选择状态：客户机接收DHCP OFFER消息，直到决定使用哪个服务器和地址

• 3.请求状态：当它做出选择，发出DHCP REQUEST消息来响应时，进入请求状态

• 4.接收ACK：

  • 可能会收到来自不需要的地址的ACK。如果没有发现它需要的地址，发送一个DHCP DECLING消息，并转化到Init状态
  • 接收到一个自己需要的地址的DHCP ACK消息，接受它，获得超时值T1(T/2)和T2(3T/4)，并进入绑定状态，这是就能使用这个地址直至过期

• 5.IP续期:

  • 客户端从服务器租用IP地址会有一个固定的租约期。除了租约期限外，还有两个时间值T1和T2。其中，T1定义为租约期限的1/2，而T2定义为租约期限的3/4。
  • 当到达T1定义的时间期限时，客户端会向提供租约的原始服务器发送DHCP Request包（单播），尝试重新建立租约。
    • 如果服务器接受此请求，则回复DHCP ACK消息，包含更新后的租约期限，续租后就会立刻更新T1和T2；
    • 如果不接受租约更新请求，就会发送DHCP NAK包,此时DHCP客户端立即发起DHCP DISCOVER进程以寻求IP地址；
    • 如果没有从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。
  • 此后（假设此时仍未接收到任何回复），DHCP客户端会定时发送DHCP Request包（单播）。如果一直都没有得到确认，则继续使用此IP地址，直到T2定义的时间限制。
  • 此时(T2)，客户端会发送DHCP Request包(广播)，尝试与网络中的其他DHCP服务器重新建立租约。
  • 如果租期到达时，仍然未更新租约，则地址自动释放，客户端既不能更新自己的租期，也无法从其他的DHCP服务器获得新的租期，客户端必须停止使用这个IP地址，从而停止常规的TCP/IP网络操作。

• T1和T2时刻都是发送DHCP Request包，只不过T1时刻是单播发送，而T2时刻是广播发送。

四、DHCP实用场景

• 1、办公网络：在办公网络中，DHCP可以用来自动分配IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器的信息，从而简化网络管理，并且可以避免手动配置每台设备的网络信息。
• 2、学校或大学网络：在学校或大学的校园网络中，DHCP可以帮助大量的设备如学生和教职员工的笔记本电脑、智能手机、平板电脑等设备方便地连接到网络并且获取必要的网络配置信息。
• 3、企业内部网络：在企业内部网络中，DHCP可以帮助快速增加或减少设备并且简化网络管理，使得员工在任何地点都可以方便地连接到企业网络。
• 4、公共场所网络：例如酒店、机场、咖啡厅等公共场所的网络，DHCP可以帮助游客和顾客方便地连接到网络，无需手动配置IP地址等网络信息。
• 5、无线网络：在无线网络中，DHCP可以帮助无线设备快速获取IP地址等连接信息，并方便地切换到不同的无线接入点而无需重新配置网络信息。
• 6、园区网中不同部门规划了不同网段，每个网段内的主机可以通过DHCP服务器动态获取IP地址等网络参数。如果主机与DHCP服务器不在同一网段，还需要部署DHCP中继。

五、DHCP中继

应用场景：

• 在大型的网络中，可能会存在多个网段。DHCP客户机通过网络广播消息获得DHCP服务器的响应后得到IP地址。但广播消息是不能跨越网段的。因此，DHCP客户机和服务器在不同的网段内时，客户机向服务器申请IP地址就要用到DHCP中继代理。
• 简单网络中，一个DHCP服务器可供一个局域网使用(由于广播的缘故)
• 复杂网络中，可以通过一个或更多DHCP中继代理来中继DHCP流量。

工作原理：

• DHCP中继代理用于将DHCP操作扩展到跨越多个网段。

  • DHCP中继会对DHCP Client发送的报文的源目IP地址进行改动，将本来的广播报文改变成单播报文，以使得DHCP报文可以跨三层路由设备传输。
    

• 4.使用中继的时机

  • 在一般情况下,中继不会参与客户机和服务器之间的所有DHCP流量交换。
  • 相反,它仅中继那些 广播消息(或IPv6中的组播)。这种消息通常在客户机首次获得自已的地址时交换。
  • 当一台客户机获得一个IP地址,并且服务器的IP地址使用服务器标识选项时,它可与服务器进行单播通信而不经过中继。

• 5.中继代理在传统上是第3层设备,并且通常结合了路由功能。