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DHCP协议图文详解

一:DHCP工作原理

1.什么是DHCP协议

DHCP,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。

2.DHCP协议中的报文

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。

DHCP 的 工作流程

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3.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

DHCP协议图文详解

二: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

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):

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三:DHCP服务端

1.什么是DHCP SERVER

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.基本原理

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:

a.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。

b.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。

c.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:

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

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

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

DHNAK :

a.请求的IP是静态IP,但是MAC地址无法与其对应。

b.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。

四:解析DHCP的工作方式

1.当一台机器新加入一个网络的时候,它只知道自己的MAC地址,如何获取IP呢? 这一步我们称为DHCP Discover. 新机器使用IP地址0.0.0.0发送一个广播包,目的IP为255.255.255.255. 广播包封装了UDP,UDP封装了BOOTP。 广播报的内容像这样: 

DHCP协议图文详解

2.如果一个网络管理员在网络里面配置了DHCP Server的话,他就相当于这些IP的管理员,他立刻知道来了一个“新人”,会租给它一个IP地址,这个过程我们称为DHCP Offer. DHCP Offer的格式如下:

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3.如果有多个DHCP Server,这台新机器会收到多个IP地址,它会选择其中一个DHCP Offer,一般是最先到达的那个,并且会向网络发送一个DHCP Request广播数据包,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服务地址等。

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4.DHCP Server接收到客户机的DHCP request之后,会广播返回给客户机一个DHCPACK 消息包,表明已接收客户机的选择。

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