BOOTP协议

发表于 2024-05-25 更新于 2024-05-27

BOOTP协议简介

Bootstrap Protocol(BOOTP协议)可以让客户端工作站初始化时仅需要一个最小的IP实现，客户端从BOOTP服务器去获取它的IP地址、网关地址和命名服务器地址。一般来说，BOOTP客户端和服务器需要在同一个网络中，如果需要跨子网，则需要支持BOOTP转发的路由器。

BOOTP最早是用来支持无盘主机通过网络远程启动作为工作站、路由器和终端的。它仅需要一个最小的、没有配置信息的IP实现，通过这个精简IP实现去获取足够的信息并开始下载启动代码。BOOTP协议没有定义如何完成下载启动代码，不过通常都是使用简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol, TFTP）。虽然BOOTP主要用于无盘主机，它也被当作一种给没有手动配置网络信息的主机分发配置的机制。

BOOTP处理流程

sequenceDiagram
    participant client as BOOTP Client
    participant server as BOOTP Server

    Note over client, server: 客户端试图获取网络配置信息
    client --> client: 查询自己的硬件地址
    client ->> server: 发送BOOTP请求广播
    activate server
    server --> server: 查询客户端信息并更新ARP缓存
    server ->> client: 发送BOOTP应答
    deactivate server

如上图所示，BOOTP协议的处理流程如下：

客户端判定自己的物理地址，通常是写在硬件的ROM中，比如MAC地址
BOOTP客户端使用UDP数据报发送自己的硬件地址给BOOT服务器
- 如果客户端知道自己的IP地址，报文中要填上它，一般情况下客户端不知道自己的IP地址，填写0.0.0.0
- 如果客户端不知道服务器地址，就使用受限广播地址255.255.255.255，UDP端口使用67
BOOTP服务器接收到数据报并在配置文件中查询客户端地址，把客户端相关配置信息写入数据报中并通过UDP端口68发送给客户端
- 如果客户端知道自己的IP地址并在请求中填写了，服务器就直接返回给客户端
- 如果客户端不知道自己的IP地址并在请求中填写0.0.0.0，此时服务器需要关心自己的ARP缓存信息
- 服务器上的ARP协议不能被用来查询客户端的IP地址，因为客户端还不知道自己的IP地址因此不能正确回应ARP请求，这是一个“鸡和蛋”的问题，一般有两种解决办法：
  - 服务器提供机制不通过ARP自生直接更新自己的ARP缓存，然后直接发送响应数据报
  - 服务器不能更新自己的ARP缓存，它必须发送一个广播应答
BOOPT客户端收到请求应答，客户端会记录自己的IP地址（此后它就可以正常应答ARP请求），然后就可以开始启动过程

BOOTP消息格式

erDiagram
    bootp["BOOTP Message"] {
        bytes Code                  "代码，1字节"
        bytes HWType                "硬件类型，1字节"
        bytes Length                "长度，1字节"
        bytes Hops                  "跳数，1字节"
        bytes TransactionID         "事务ID，4字节"
        bytes Seconds               "秒数，2字节"
        bytes FlagsField            "标志，2字节"
        IP ClientIPAddress          "客户端IP，4字节"
        IP YourIPAddress            "你的IP，4字节"
        IP ServerIPAddress          "服务器IP，4字节"
        IP RouterIPAddress           "路由器IP，4字节"
        MAC ClientHardwareAddress   "客户端硬件地址，16字节"
        bytes ServerHostname        "服务器名称，64字节"
        bytes BootFilename          "启动代码文件名称，128字节"
        bytes VendorSpecificArea    "供应商特定区域，64字节"
    }

Code用于标识是BOOTP请求还是应答：

0 请求
1 应答

HWType用于标识硬件类型，比如：

0 以太网
6 IEEE 802网络

Length 用于标识硬件地址长度，比如以太网和令牌环网络都使用6字节

Hops 用于标识数据报经历的设备跳数，BOOTP客户端会把它设置成0，中转该数据报的路由器会对它进行加1，这个标识是用来检测循环的。RFC 951建议当跳数达到3时就表明存在循环。

TransactionID 一个用来匹配BOOTP请求的和应答的随机数

Seconds 由客户端设置的，含义是开始从客户端开始启动过程经历的秒数

FlagsField 最高位用来标识请求是广播请求。其它位必须设置成0，它们被保留作将来使用。通常BOOTP服务器会试图通过单播来传输BOOTP应答消息给客户端，目标地址是BOOTP消息中YourIPAddress的值，消息中的MAC地址被设置成BOOTP请求消息中的客户端硬件地址。如果主机直到自己知道自己的IP地址之后才能接收到单播IP数据报，这个广播标识位必须被设置成1来指示BOOTP服务器必须通过IP和MAC地址广播来发送BOOTP应答消息。否则，这个标识位必须被设置成0。

ClientIPAddress 由客户端设置，要么是自己的IP地址，要么是0.0.0.0

YourIPAddress 由服务器设置，如果客户端IP地址字段值为0.0.0.0

ServerIPAddress 由服务器设置

RouterIPAddress BOOTP中转代理的IP地址，不是普通的路由器IP地址，当BOOTP转发请求时由转发代理设置

ClientHardwareAddress 由客户端设置，服务器会通过它来判定哪个客户端在启动

ServerHostname 可选的服务器主机名称，以0x00结尾

BootFilename 客户端要么让这个值保持Null，要么定义一个通用名称，比如要使用的路由器启动代码类型，服务器返回适合该客户端的启动代码的完全限定名称（Fully Qualified Name），以0x00结尾

VenderSpecificName 可选供应商特定区域，客户端应该总是在前4个字节填充魔法数字。如果没有使用魔法数字，客户端应该使用99.130.83.99并紧接着填写255这个数字，剩余字节填充0。此字段也可以包含BOOTP供应商异常。这些信息可以在和IP地址一起传送给正在启动的客户端。比如，客户端可以接收默认路由器地址，域名服务器地址或者子网掩码。BOOTP和DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)共享相同的选项，除了DHCP有一些DHCP特定的选项。

BOOTP客户端处理了BOOTP应答之后，它就可以开始下载启动代码并执行整个启动流程。一般来说客户端使用简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol, TFTP）来下载启动代码。对于无盘主机来说，整个启动过程通常会使用BOOTP和TFTP协议，把从ROM中加载的最小IP协议栈替换为启动代码中包括的正常的IP协议栈和正确的客户端配置信息。

BOOTP转发

BOOTP客户端使用受限广播地址来发送BOOTP请求，它需要BOOTP服务器和客户端在同一个子网内。BOOTP转发（BOOTP Forwarding）是一种让路由器跨子网转发BOOTP请求的机制。大多数路由器都支持此选项，支持BOOTP请求转发的路由器又被叫做BOOTP中转代理。

sequenceDiagram
    participant client as BOOTP Client
    participant relay as BOOTP Relay Agent
    participant server as BOOTP Server

    Note over client, server: 客户端试图发送BOOTP请求以获取配置信息

    client -->> server: BOOTP请求广播
    client ->> relay: BOOTP请求
    relay --> relay: 检查Hops决定是否转发此请求
    relay --> relay: 检查RouterIP字段值如果为0则填充
    relay --> relay: Hops加1
    relay ->> server: 转发BOOTP请求
    server --> server: 检查RouterIP是否为0，不为0则为中转请求
    server ->> relay: 构造BOOTP应答请求并通过端口67发送给BOOTP中转代理
    relay ->> client: 使用广播或者单播转发BOOTP应答消息给BOOTP客户端

一般情况下路由器会丢掉任何包含非法源地址的数据报，比如0.0.0.0，BOOTP客户端就使用了这个地址，路由器一般也会丢掉目标地址是受限广播地址的数据报。然而，BOOTP中转代理会在端口67上接受BOOTP客户端发送的上述类型的数据报。BOOTP中转代理处理BOOTP请求的流程如下：

检查BOOTP请求的Hops值是否达到阈值来决定否转发此请求，这个阈值一般是可配置的
如果中转代理决定转发此请求，则检查消息中RouterIP值是否为0，如果值为0，则填充为接收到此请求的网卡IP地址，如果值不为0则保持不变
对Hops值加1
转发BOOTP请求给一个或多个BOOTP服务器，这些服务器地址是预先配置好的，通常使用单播帧来转发，有些也使用广播转发
当BOOTP服务器收到BOOTP请求时，如果RouterIP值不为0，则通过端口67把BOOTP响应发送给RouterIP对应的中转代理
当BOOTP中转代理收到BOOTP应答时，应答消息中包含硬件类型、长度、客户端硬件地址等足够的数据链路层信息，中转代理会把应答转发给客户端。中转代理会检查广播位是否设置，如果设置了它就通过广播来转发应答消息，否则就用YourIPAddress字段对应的IP地址通过单播来转发BOOTP应答消息

当路由器被设置成BOOTP中转代理的时候，BOOTP转发任务和路由器在子网之间转发数据报明显不同。转发BOOTP消息可以被认为路由器作为接收BOOTP消息的最终目的地址并生成新的BOOTP消息发送给其它目的地址。

BOOTP的优劣

BOOTP协议允许对多个主机进行集中化配置，然而它需要为每个连接到网络中的主机预先配置IP地址，即使客户端很少在线，这意味着被分配的IP地址不能回收。使用BOOTP协议也算是一种安全措施，因为BOOTP服务器只有在客户端拥有合法MAC地址的时候才给客户端分配IP地址。

BOOTP协议作为DHCP协议的前身，尽管已经被DHCP协议所替代了，然而BOOTP的基本概念和设计仍然在现代网络配置中留下了重要的遗产。

参考

BOOTP
TFTP
ChatGPT