DHCP 协议详解
一、什么是DHCP协议
试想一下逐一为每一个电脑设置IP地址是一件非常繁琐的事情。特别是移动笔记本,每到一个地方都要重新设置IP地址,于是,为了实现自动设置IP地址、统一管理IP地址,就产生了DHCP协议,有了它计算机只要连接到网络,就会自动被分配一个IP
二、DHCP自动分配IP地址的过程
DHCP运行分为四个基本过程,分别为发现阶段、提供IP、选择IP租约和确认IP租约。
1、发现阶段:DHCP客户机寻找DHCP服务器的阶段
当DHCP客户机第一次登录网络的时候(也就是客户机上没有任何IP地址数据时),它会通过UDP 67端口向网络上发出一个DHCPDISCOVER数据包(包中包含客户机的MAC地址和计算机名等信息)。因为客户机还不知道自己属于哪一个网络,所以封包的源地址为0.0.0.0,目标地址为255.255.255.255,然后再附上DHCP discover的信息,向网络进行广播,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。
2、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客户机,DHCP为客户保留一个IP地址,然后通过网络广播一个DHCPOFFER消息给客户。该消息包含客户的MAC地址、服务器提供的IP地址、子网掩码、租期以及提供IP的DHCP服务器的IP。此时还是使用广播进行通讯,源IP地址为DHCP Server的IP地址,目标地址为255.255.255.255。同时,DHCP Server为此客户保留它提供的IP地址,从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。
由于客户机在开始的时候还没有IP地址,所以在其DHCP discover封包内会带有其MAC地址信息,并且有一个XID编号来辨别该封包,DHCP Server响应的DHCP OFFER封包则会根据这些资料传递给要求租约的客户。
3、选择阶段:即DHCP客户机选择某台DHCP服务器提供的IP地址的阶段
如果客户机收到网络上多台DHCP服务器的响应,只会挑选其中一个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服务器地址等),告诉所有DHCP Server它将接受哪一台服务器提供的IP地址,所有其他的DHCP服务器撤销它们的提供以便将IP地址提供给下一次IP租用请求。此时,由于还没有得到DHCP Server的最后确认,客户端仍然使用0.0.0.0为源IP地址,255.255.255.255为目标地址进行广播。
4、租约确认阶段:即DHCP服务器确认所提供的IP地址的阶段
当DHCP Server接收到客户机的DHCP REQUEST之后,会广播返回给客户机一个DHCP ACK消息包,表明已经接受客户机的选择,并将这一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入该广播包发给客户机。
客户机在接收到DHCP ACK广播后,会向网络发送三个针对此IP地址的ARP解析请求以执行冲突检测,查询网络上有没有其它机器使用该IP地址;如果发现该IP地址已经被使用,客户机会发出一个DHCP DECLINE数据包给DHCP Server,拒绝此IP地址租约,并重新发送DHCP discover信息。此时,在DHCP服务器管理控制台中,会显示此IP地址为BAD_ADDRESS。
如果网络上没有其它主机使用此IP地址,则客户机的TCP/IP使用租约中提供的IP地址完成初始化,便将收到的IP地址与客户端的网卡绑定。从而可以和其他网络中的主机进行通讯。
通过以上DHCP工作流程的步骤,就完成了客户端动态IP地址分配的过程。
关于DHCP客户机租期续约:
因为客户机申请的IP地址是有一定的时间限制的,DHCP服务器向DHCP客户端分配IP地址称为出租,通常都设置有租借期限,所以在地址到期之前客户机还会向DHCP服务器发送一个续约的请求.
客户机会在租期过去50%的时候,直接向为其提供IP地址的DHCP Server发送DHCP REQUEST消息包。如果客户机接收到该服务器回应的DHCP ACK消息包,客户机就根据包中所提供的新的租期以及其它已经更新的TCP/IP参数,更新自己的配置,IP租用更新完成。如果没有收到该服务器的回复,则客户机继续使用现有的IP地址,因为当前租期还有50%。
如果在租期过去50%的时候没有更新,则客户机将在租期过去87.5%的时候再次向为其提供IP地址的DHCP联系。如果还不成功,到租约的100%时候,客户机必须放弃这个IP地址,重新申请。
通过第1次分配IP地址之后,DHCP客户端每次重新登录网络时,就不需要再次发送DHCP discover广播信息了,因为这时已经知道内网中有一个DHCP服务器的IP地址了,所以就直接发送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request信息。当DHCP服务器收到该信息后,会尝试让DHCP客户端继续使用原来的IP地址,并回答一个DHCP ACK信息。若该IP地址已被使用,则DHCP服务器将发送一个DHCP NACK信息给客户端,客户端收到该信息后,将重新发送DHCP discover信息来请求新的IP地址。如果客户端已知的DHCP服务器IP地址无效,就只有重新发送广播信息,查找新的DHCP服务器了。
三、小型局域网出现的IP冲突问题
一般的家用路由,小型局域网的路由都采用DHCP自动分配IP地址。
因为最近宿舍的主机发生经常性的断网,且右下角伴随着黄色三角形的感叹号,须重启路由才能重新连上,但连上不久就有可能再次冲突。
这个问题的发生,原因在于IP冲突。重置路由,但问题虽然减轻但没有根本上的解决。
后了解到有几台手动设置了主机的网络配置。通过前面DHCP服务器的介绍,我们可以得知,DHCP服务器是只能确保自己分配了地址不再重复分配,但如果同一个局域网中的客户机采用手动设置网络配置IP地址,DHCP服务器是不知情的。所以一旦有人提前手动设定分配某个ip A,而DHCP服务器在分配的时候完全有可能把A再次分配给局域网的另一台采用自动获取IP的主机。从而造成两台机器发生IP冲突,导致无法上网。
解决办法:
1.局域网内所有主机均采用自动分配IP。(控制面板\网络和 Internet\网络连接)
2.在主机手动设定ip的时候,同时把该IP在路由上设定为静态IP,使路由识别此IP只能分配给对应mac地址的主机,从而保留了该IP不会再分给其他的主机。
这里以宿舍的TP—LINK为例:
浏览器输入:192.168.1.1 输入:admin 和密码admin进入路由器的管理
然后添加mac地址,mac地址进入命令输入:ipconfig可以获得。和相对应主机设定的ip地址。
3.绑定ARP与IP绑定,原理和上面的类似,都是把mac地址和相应的ip绑定一起。从而DHCP分配的时候不会冲突。
还有一种办法就是关闭DHCP服务,局域网全部采用手动分配。但是这种方法就比较麻烦了。对于新主机的接入也不大方便。