智慧城域网技术与实战 5.1.9 DHCP原理

同学们，大家好，今天的课程是：“DHCP原理”。首先我们来看一下学习目标，学完本节课程后，你应该能，掌握DHCP的基本概念，掌握DHCP的工作方法。本节课主要分为两部分进行讲解：分别是：DHCP的基本概念，DHCP的工作方式。首先我们来看第一部分，DHCP的基本概念。DHCP是DynamicHostConfigurationProtocol（动态主机分配协议）的缩写，前身是BOOTP协议。它分为两个部份﹕一个是服务器端﹐而另一个是客户端。所有的IP网络设定资料都由DHCP服务器集中管理，并负责处理客户端的DHCP要求；而客户端则会使用从服务器分配下来的IP信息。

DHCP客户服务体系如右图所示，DHCP协议的主要特点有：

1.整个IP分配过程自动实现，在客户端上，除了将DHCP选项打勾外，无需做任何IP环境设定；

2.所有的IP网络设定资料都由DHCP服务器统一管理，还可以帮客户端指定netmask、DNS服务器、缺省网关等参数；

3.通过IP地址租期管理（到达期限时，可能会延长“租约”或重新分配地址），实现IP地址分时复用；

4.DHCP采用广播方式交互报文，由于默认情况下路由器不会将收到的广播包从一个子网发送到另一个子网，因而当DHCP服务器与客户主机不在同一个子网时，必须使用DHCP中继（即DHCPrelay）；

5.DHCP协议的安全性较差，服务器容易受到攻击。DHCP协议采用客户端/服务器体系结构，客户端靠发送广播方式的发现信息来寻找DHCP服务器，即向地址255.255.255.255发送特定的广播信息，服务器收到请求后进行响应。而路由器默认情况下是隔离广播域的，对此类报文不予处理，因此DHCP的组网方式分为同网段和不同网段两种方式。当DHCP服务器和客户机不在同一个子网时，充当客户主机默认网关的路由器必须将广播包发送到DHCP服务器所在的子网，这一功能称为DHCP中继。DHCP的两种组网方式如右图所示。

从这两种组网方式不难看出，DHCP基本协议架构中，主要包括以下三种角色：

●DHCPClient：

DHCP客户端，通过与DHCP服务器进行报文交互，获取IP地址和其他网络配置信息，完成自身的地址配置。在设备接口上配置DHCPClient功能，这样接口可以作为DHCPClient，使用DHCP协议从DHCPServer动态获得IP地址等参数，方便用户配置，也便于集中管理。

●DHCPRelay：

DHCP中继，负责转发来自客户端方向或服务器方向的DHCP报文，协助DHCP客户端和DHCP服务器完成地址配置功能。如果DHCP服务器和DHCP客户端不在同一个网段范围内，则需要通过DHCP中继来转发报文，这样可以避免在每个网段范围内都部署DHCP服务器，既节省了成本，又便于进行集中管理。

在DHCP基本协议架构中，DHCP中继不是必须的角色。只有当DHCP客户端和DHCP服务器不在同一网段内，才需要DHCP中继进行报文的转发。

●DHCPServer：

DHCP服务器，负责处理来自客户端或中继的地址分配、地址续租、地址释放等请求，为客户端分配IP地址和其他网络配置信息。

DHCP协议提供了多种类型的报文,但是基本格式是相同的,不同类型的报文只是报文中的某些字段值不同。

op：报文的操作类型。分为请求报文和响应报文。客户端发送给服务器的包为请求报文，值为1；服务器发送给客户端的包为响应报文，值为2。

htype：DHCP客户端的MAC地址类型。MAC地址类型其实是指明网络类型，htype值为1时表示为最常见的以太网MAC地址类型。

hlen：硬件地址长度。以太网MAC地址长度为6个字节，即hlen值为6。

hops：跳数，DHCP报文经过的中继数量。每经过一个路由器，该字段就会增加1。如果没有经过路由器，则值为0（同一网内）。

xid：事务ID。客户端发起一次请求时选择的随机数，用来标识一次地址请求过程。在一次请求中所有报文的xid都是一样的。

secs：DHCP客户端从获取到IP地址或者续约过程开始到现在所过去的时间，以秒为单位。在没有获得IP地址前，该字段始终为0。

flags：BOOTP标志位。只使用第0比特位，是广播应答标识位，用来标识DHCP服务器应答报文是采用单播还是广播发送。其中，0表示采用单播发送方式，1表示采用广播发送方式。其余位尚未使用。

ciaddr：DHCP客户端的IP地址。仅在DHCP服务器发送的ACK报文中显示，在其他报文中均显示为0。这是因为在得到DHCP服务器确认前，DHCP客户端还没有分配到IP地址。

yiaddr：DHCP服务器分配给客户端的IP地址。仅在DHCP服务器发送的Offer和ACK报文中显示，其他报文中显示为0。

siaddr：为DHCP客户端分配IP地址等信息的其他DHCP服务器IP地址。仅在DHCPOffer、DHCPACK报文中显示，其他报文中显示为0。

giaddr：转发代理（网关）IP地址，DHCP客户端发出请求报文后经过的第一个DHCP中继的IP地址。如果没有经过DHCP中继，则显示为0。

chaddr：DHCP客户端的MAC地址。在每个报文中都会显示对应DHCP客户端的MAC地址。

sname：为客户端分配IP地址的服务器名称（DNS域名格式）。只在DHCPOffer和DHCPACK报文中显示发送报文的DHCP服务器名称，其他报文显示为0。

file：DHCP服务器为DHCP客户端指定的启动配置文件名称及路径信息。仅在DHCPOffer报文中显示，其他报文中显示为空。

options：可选选项，格式为“代码+长度+数据”。

接下来看第二部分，DHCP的工作方式，先来看DHCP同网段的工作方式。DHCP服务器与DHCP客户端处于同网段的工作过程有三种场景。场景一：DHCP客户端首次获取IP地址过程：Step1：发现阶段，即DHCP客户端寻找DHCP服务器的阶段。DHCP客户端以广播方式（因为DHCP服务器的IP地址对于客户端来说是未知的）发送DHCP

discover发现信息来寻找DHCP服务器，即向地址255.255.255.255发送特定的广播信息。网络上每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收到这种广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。

Step2：提供阶段，即DHCP服务器提供IP地址的阶段。在网络中接收到DHCPdiscover发现信息的DHCP服务器都会做出响应，它从尚未出租的IP地址中挑选一个分配给DHCP客户端，向DHCP客户端发送一个包含出租的IP地址和其他设置的DHCP

offer提供信息。

Step3：选择阶段，即DHCP客户端选择某台DHCP服务器提供的IP地址的阶段。如果有多台DHCP服务器向DHCP客户端发来的DHCP

offer提供信息，则DHCP客户端只接受第一个收到的DHCP

offer提供信息，然后它就以广播方式回答一个DHCP

request请求信息，该信息中包含向它所选定的DHCP服务器请求IP地址的内容。之所以要以广播方式回答，是为了通知所有的DHCP服务器，他将选择某台DHCP服务器所提供的IP地址。

Step4：确认阶段，即DHCP服务器确认所提供的IP地址的阶段。当DHCP服务器收到DHCP客户端回答的DHCP

request请求信息之后，它便向DHCP客户端发送一个包含它所提供的IP地址和其他设置的DHCP

ack确认信息，告诉DHCP客户端可以使用它所提供的IP地址。然后DHCP客户端便将其TCP/IP协议与网卡绑定，另外，除DHCP客户端选中的服务器外，其他的DHCP服务器都将收回曾提供的IP地址。

场景二：DHCP客户端重新登录网络：

重新登录网络是指客户端曾经分配到可用的IP地址，再次登录网络时IP地址还在相应的租期之内。客户端不需要再发送DHCPDISCOVER报文，而是直接发送包含前一次分配的IP地址的DHCPREQUEST请求报文。

Step1：客户端直接发送包含前一次分配的IP地址的DHCPREQUEST请求报文，字段填入曾经使用过的IP地址。

Step2：DHCP服务器收到DHCPREQUEST报文后，如果客户端申请的地址没有被分配，则返回DHCPACK确认报文，通知该DHCP客户端继续使用原来的IP地址。如果此IP地址无法再分配给该DHCP客户端使用（例如已分配给其它客户端），DHCP服务器将返回DHCPNAK报文。客户端收到后，重新发送DHCPDISCOVER报文请求新的IP地址。

场景三：DHCP客户端更新租约过程

DHCP服务器向DHCP客户端出租的IP地址一般都有一个租借期限，期满后DHCP服务器便会收回出租的IP地址。在使用租期过去50%时刻处，客户端向服务器发送单播DHCPREQUEST报文续延租期，如果成功即收到DHCP服务器的DHCPACK报文，则租期相应向前延长，如果失败既没有受到DHCPACK报文，则客户端继续使用这个IP地址。在使用租期过去87.5%时刻处，向DHCP服务器发送广播DHCPREQUEST报文续延租期，如果成功即收到DHCP服务器的DHCPACK报文，则租期相应向前延长；如果失败既没有收到DHCPACK报文，则客户端继续使用这个IP地址。在使用租期到期时，客户端应自动放弃使用这个IP地址，并开始新的DHCP过程。

接着看DHCP跨网段的工作方式。由于DHCP报文都采用广播方式，是无法穿越多个子网的，当DHCP报文要穿越多个子网时，就要有DHCPRELAY的存在。当存在DHCP中继时，所有的DHCP报文都会经过DHCP中继进行转发，整个DHCP交互过程同上面类似，只是在报文封装时稍有不同。

DHCPRELAY可以是路由器，也可以是一台主机。DHCPRELAY的作用就是要监听UDP目的端口号为67的所有报文。当DHCPRELAY收到请求报文后就将广播报文根据事先指定的DHCP服务器地址转换成单播报文发送给DHCP服务器。

那么服务器收到请求后如何确定应该从哪个地址池中分配地址呢？

DHCP中继的工作过程如图1所示。DHCP客户端发送目的端口号为67的请求报文给DHCP服务器，DHCP中继收到该报文并适当处理后，以单播形式发送给指定的位于其它网段上的DHCP服务器。服务器根据请求报文中提供的必要信息，通过DHCP中继将配置信息返回给客户端，完成对客户端的动态配置。

跨网段工作方式的租约更新与同网段的原理相同。如图2所示，DHCP服务器向DHCP客户端出租的IP地址一般都有一个租借期限，期满后DHCP服务器便会收回出租的IP地址。在使用租期过去50%时刻处，客户端向服务器发送单播DHCPREQUEST报文续延租期，如果成功即收到DHCP服务器的DHCPACK报文，则租期相应向前延长，如果失败既没有受到DHCPACK