网络基础知识笔记04：DHCP基本原理与配置(上)
网络基础知识笔记04 DHCP基本原理与配置（上）
由于本笔记有借鉴其他博文的内容，但仅做学习使用。已在下方给出原文链接，如有侵权，请联系本人进行删除，谢谢。
前言 -- 动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol）
在大型企业网络中，会有大量的主机或设备需要获取IP地址等网络参数。如果采用手工配置，工作量大且不好管理，如果有用户擅自修改网络参数，还有可能会造成IP地址冲突等问题。
使用动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）来动态分配IP地址等网络参数，不仅可以减少管理员的工作量，而且避免用户手工配置网络参数时造成的地址冲突。
本节笔记主要介绍DHCP主要原理（协商过程），报文类型，应用场景以及DHCP地址池。
DHCP应用场景
在一般的企业网络中，一般会有大量的主机等终端设备，每个终端都需要配置IP地址等网络参数才能接入网络。在小型网络中，终端数量很少，可以手动配置IP地址。但是在大中型网络中，终端数量很多，手动配置IP地址工作量大，而且配置时容易导致IP地址冲突等错误。
为了解决这个问题，于是提出了DHCP协议。DHCP可以为网络终端动态分配IP地址，解决了手工配置IP地址时的各种问题。只要在网络中部署DHCP服务器（可以是主机，交换机，防火墙等等的设备），DHCP服务器就能够为大量主机分配IP地址,并能够集中管理。
DHCP报文类型
DHCP协议中，产生的报文类型有6种，如下表所示：
|
报文类型 |
含义 |
|
DHCP DISCOVER |
客户端用来寻找DHCP服务器。 |
|
DHCP OFFER |
DHCP服务器用来响应DHCP DISCOVER报文，此报文携带了各种配置信息。 |
|
DHCP REQUEST |
客户端请求配置确认，或者续借租期。 |
|
DHCP ACK |
服务器对REQUEST报文的确认响应。 |
|
DHCP NAK |
服务器对REQUEST报文的拒绝响应。 |
|
DHCP RELEASE |
客户端要释放地址时用来通知服务器。 |
关于这些不同类型的DHCP报文，以下是详尽的解释：
①DHCP Discover
DHCP客户端初次接入网络时，会发送DHCP发现报文（DHCP Discover），用于查找和定位DHCP服务器。
②DHCP Offer
DHCP服务器在收到DHCP发现报文后，会发送DHCP提供报文（DHCP Offer），此报文中包含要分配给客户端的IP地址等配置信息。
③DHCP Request
在DHCP客户端收到服务器发送的DHCP提供报文后，会发送DHCP请求报文（DHCP Request），另外在DHCP客户端获取IP地址并重启后，同样也会发送DHCP请求报文，用于确认分配的IP地址等配置信息。DHCP客户端获取的IP地址租期快要到期时，也会发送DHCP请求报文，向服务器申请延长IP地址租期。
④DHCP Ack
收到DHCP客户端发送的DHCP请求报文后，DHCP服务器会回复DHCP确认报文（DHCP Ack）。客户端收到DHCP确认报文后，会将获取的IP地址等信息进行配置和使用。
⑤DHCP Nak
如果DHCP服务器收到DHCP-REQUEST报文后，没有找到相应的租约记录，则发送DHCP-NAK报文作为应答，告知DHCP客户端无法分配合适IP地址。
⑥DHCP Release
DHCP客户端通过发送DHCP释放报文（DHCP Release）来释放IP地址。收到DHCP释放报文后，DHCP服务器知道这个IP地址已经无人使用，已经可以把该IP地址分配给其他DHCP客户端使用了。
DHCP地址池
一般来说，路由器支持两种地址池：全局地址池和接口地址池。
DHCP服务器的地址池是用来定义分配给主机的IP地址范围，有以下两种形式：
接口地址池为连接到同一网段的主机或终端分配IP地址。可以在服务器的接口下执行dhcp select interface命令，配置DHCP服务器采用接口地址池的DHCP服务器模式为客户端分配IP地址。
全局地址池为所有连接到DHCP服务器的终端分配IP地址。可以在服务器的接口下执行dhcp select global命令，配置DHCP服务器采用全局地址池的DHCP服务器模式为客户端分配IP地址。
接口地址池的优先级比全局地址池高。配置了全局地址池后，如果又在接口上配置了地址池，客户端将会从接口地址池中获取IP地址。有些交换机只能在VLANIF逻辑接口上配置接口地址池。
DHCP工作原理
为了动态获取IP地址等配置信息，DHCP客户端需要和DHCP服务器进行报文交互。而这个获取的过程，也可以认为是客户端向DHCP服务器端请求一个IP地址的租约。
DHCP租约主要分为以下4步：
Step 1：客户端请求IP（客户端发DHCP Discover广播包）
当一个DHCP客户端启动时，会自动将自己的IP地址配置成0.0.0.0，由于使用0.0.0.0不能进行正常通信，所以客户端就必须通过DHCP服务器来获取一个合法的地址。
由于客户端不知道DHCP服务器的IP地址，所以它使用0.0.0.0的地址作为源地址，使用UDP 68端口作为源端口，使用255.255.255.255（这是一个广播地址）作为目标地址，使用UDP 67端口作为目的端口来广播请求IP地址信息（如下图所示）。广播信息中包含了DHCP客户端的MAC地址和计算机名，以便使DHCP服务器能确定是哪个客户端发送的请求。
DHCP客户端总是试图重新租用它接收过的最后一个IP地址，这给网络带来一定的稳定性。
Step 2：服务器响应（服务器发DHCP Offer单播包）
当DHCP服务器接收到客户端请求IP地址的信息时，它就在自己的IP地址池中查找是否有合法的IP地址提供给客户端。如果有，DHCP服务器就将此IP地址做上标记，并加入到DHCP Offer的消息中，然后DHCP服务器就单播一则包括下列信息的DHCP Offer消息（如下图所示）：
①DHCP客户端的MAC地址
②DHCP服务器提供的合法IP地址
③DHCP服务器的IP地址
④子网掩码
⑤默认网关（路由）
⑥租约的期限
因为DHCP客户端还没有IP地址，所以DHCP服务器使用自己的IP地址作为源地址，使用UDP 67端口作为源端口，使用要分配给客户端的IP地址作为目标地址，使用UDP 68端口作为目的端口来单播DHCP Offer信息。
Tips：关于DHCP Offer的一点小疑问
当笔记做到这里的时候，我发现了一个奇怪的问题：
Q1：为什么在华为官方的教学课件上，会在DHCP Offer上标注其为一个单播数据包呢？
Q2：在实际抓包测试中，当服务器发送DHCP Offer数据包给客户端时，客户端还没有将IP实际配置到设备中，那么服务器在发送DHCP Offer包时是怎么通过目的地址准确发送回客户端的呢？
带着这个疑问，我专门上网搜寻了一下。这里贴出知乎答主“车小胖”的回答。
链接为：https://www.zhihu.com/question/280872108/answer/438845996
其回答内容大义是这样的：
综上所述， DHCP Discover报文可以通过报文中的“Broadcast flag”字段设置DHCP Offer是用单播还是广播的形式，所以DHCP Offer报文既可以说是单播，也可以说是广播，取决于怎么设置。
另外，DHCP服务器端在回复DHCP Offer包给客户端时，依据并不是目的IP地址，而是目的MAC地址。客户端的MAC地址来源于客户端发来的DHCP Discover的“chaddr”字段，而不是来自于ARP请求（因为此时客户端还未拥有IP地址）。
Step 3：客户端选择IP（客户端发DHCP Request广播包）
DHCP客户端将会从接收到的第一个DHCP Offer消息中选择IP地址。而已经发出IP地址的DHCP服务器会将该地址保留，这样该地址就不能提供给另一个DHCP客户端。当客户端从第一个DHCP服务器接收DHCP Offer并选择IP地址后，DHCP租约的第三过程发生。
客户端将DHCP Request消息广播到所有的DHCP服务器，表明它接受某一台DHCP服务器提供的内容。DHCP Request消息包括为该客户端提供IP配置的服务器的服务标识符（IP地址）。DHCP服务器查看服务器标识符字段，以确定它自己是否被选择为指定的客户端提供IP地址，如果发现其中的服务器标识字段不是自己的IP，说明客户端没有采用自己提供的IP。自己的DHCP Offer被拒绝，则DHCP服务器会取消提供并保留其IP地址以用于下一个IP租约请求。
在客户端选择IP的过程中，虽然客户端选择了IP地址，但是还没有配置IP地址。而在一个网络中可能有几个DHCP服务器，所以客户端仍然使用0.0.0.0的地址作为源地址，使用UDP 68端口作为源端口，使用255.255.255.255作为目标地址，使用UDP 67端口作为目的端口来广播DHCP Request信息。
Step 4：服务器确定租约（服务器发DHCP Ack/DHCP Nak广播包）
DHCP服务器接收到DHCP Request消息后，以DHCP Ack消息的形式向客户端发送确认成功的消息，该消息包含有IP地址的有效租约和其他可能配置的信息。
虽然服务器确认了客户端的租约请求，但是客户端还没有收到服务器的DHCP Ack消息，表明客户端还没有配置IP地址。所以服务器仍然使用自己的IP地址作为源地址，使用UDP 67端口作为源端口，使用分配给客户端的IP地址作为目标地址，使用UDP 68端口作为目的端口来单播DHCP Ack信息。当客户端收到DHCP Ack消息时，它会将自己成功从DHCP成功租到的IP信息配置上去，完成了TCP/IP的初始化。
DHCP客户端收到DHCP Ack报文后，会发送免费ARP报文，检查网络中是否有其他主机使用分配的IP地址。如果指定时间内没有收到ARP应答，DHCP客户端会使用这个IP地址。如果有其他主机使用该IP地址，DHCP客户端会向DHCP服务器发送DHCP拒绝报文，通知服务器该IP地址已被占用。然后DHCP客户端会向服务器重新申请一个IP地址。
Tips：什么是免费ARP？
免费ARP（Gratuitous ARP）包是一种特殊的 ARP 请求。它并非期待得到 IP 对应的 MAC 地址，而是当主机启动的时候，发送一个免费ARP请求，不是请求其他主机IP的MAC地址，而是请求自己的 IP 地址的 MAC 地址。
免费ARP主要起到以下3个作用：
①该类型报文起到一个宣告作用。它以广播的形式将数据包发送出去，不需要得到回应，只为了告诉其他计算机自己的IP地址和MAC地址。
②可用于检测IP地址冲突。当一台主机发送了免费ARP请求报文后，如果收到了ARP响应报文，则说明网络内已经存在使用该IP地址的主机。
③可用于更新其他主机的ARP缓存表。如果该主机更换了网卡，而其他主机的ARP缓存表仍然保留着原来的MAC地址。此时就可以发送免费的ARP数据包。其他主机收到该数据包后，将更新ARP缓存表，将原来的MAC地址替换为新的MAC地址。
参考链接：
https://blog.51cto.com/yuanbin/109574
https://www.zhihu.com/question/280872108/answer/438845996
http://c.biancheng.net/view/6420.html
关于ARP协议的更多内容，以后也会开一期笔记进行详细的介绍。
