DHCP协议

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DHCP简介

动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP）提供了一种通过TCP/IP网络向网络中主机传递配置信息的机制。DHCP协议基于BOOTP协议改进，增加了自动分配可重复利用的网络地址和其它配置的能力。

BOOTP协议参考：BOOTP协议

DHCP基于BOOTP发展而来，DHCP和BOOTP使用相同的端口号，服务器使用67，客户端使用68，两种协议之间支持一定的互操作性。

DHCP支持三种IP分配机制：

  • 自动分配 DHCP给主机分配一个永久IP地址
  • 动态分配 DHCP给主机分配一个时间受限的IP地址，这种地址被称为租约，这是回收已经分配给主机的不再使用的IP地址的唯一方式
  • 手动分配 主机IP地址由网络管理员手动分配

DHCP消息格式

erDiagram
    bootp["DHCP 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 Options               "选项，312字节"
    }

DHCP和BOOTP消息格式基本相同，除了最后一个Options字段，DHCP把长度从BOOTP的64字节增长到了312字节。

DHCP消息有如下类型：

  • DHCPDISCOVER 客户端发出的寻找可用DHCP服务器列表请求
  • DHCPOFFER DHCP服务器对客户端DHCPDISCOVER消息的应答，消息中包含分配给客户端的IP地址和其它参数
  • DHCPREQUEST 客户端给一个或多个DHCP服务器发出的请求消息，主要目的：
    • 从一个DHCP服务器请求已分配IP地址的参数并忽略其它服务器的消息
    • 系统或网络发生变化之后验证之前分配的IP地址，比如机器重启
    • 对特定地址请求延长租约
  • DHCPACK 服务器发出的对客户端请求的确认消息，消息中包括主机配置信息
  • DHCPNAK 服务器发出的对客户端请求的负面确认信息，表示客户端租约已经过期或者请求的IP地址非法
  • DHCPDECLINE 客户端发送给服务器表示分配的IP地址已经被网络中其它主机使用
  • DHCPRELEASE 客户端发送给服务器表示放弃剩余租约和已经分配的网络地址
  • DHCPINFORM 已经拥有地址的客户端向DHCP服务器请求更多配置参数

DHCP工作流程

DHCP分配流程

假设DHCP服务器一段可分配的网络地址并且可以满足客户端的请求，每个服务器维护了一个已分配IP地址和租约的持久到本地的数据库，DHCP客户端和DHCP服务器的交互步骤如下图所示：

sequenceDiagram
    participant client as DHCP Client
    participant server as DHCP Server

    Note over client, server: DHCP客户端请求分配IP地址和获取配置信息

    client -->> server: 发送DHCPDISCOVER广播，请求分配IP地址
    server -->> client: 发送DHCPOFFER广播，给客户端提供一个IP地址

    alt 接受OFFER
        client -->> server: 发送DHCPREQUEST广播请求网络配置信息
        server -->> client: 发送DHCPACK广播，其中包含客户端的主机配置信息

        alt ARP检查IP未被占用
            client -->> client: IP未被占用，客户端配置成功
        else 放弃租约
            client -->> server: 发送DHCPDECLINE消息放弃租约
            client -->> client: 开启新一轮配置请求流程
        end
    end

如上图所示，DHCP客户端获取IP地址等配置流程可概述为：

  • 客户端在本地物理子网上广播DHCPDISCOVER消息，消息中可以包含一些建议的网络地址或租约时长等参数，此时客户端处于INIT状态
  • 每个DHCP服务器返回DHCPOFFER消息，其中包含可用网络IP地址信息和一些其它配置选项，如子网掩码/租期/服务器IP，服务器会记录分配的IP地址以免重复分配
  • 客户端收到一个或多个DHCPOFFER消息，客户端根据配置信息选择其中一个并广播DHCPREQUEST消息，其中包含服务器ID信息来标识它选择的DHCPOFFER
  • 如果客户端没有收到DHCPOFFER消息，且客户端手中有一个租约还没过期的IP地址，则它会继续使用该IP地址
  • 服务器收到DHCPREQUEST消息广播，那些没被选择的服务器会认为客户端放弃了租约，被选中的服务器确认客户端硬件地址和分配的IP地址绑定并持久化，响应DHCPACK消息其中包含客户端请求的其它参数，客户端硬件地址和分配的IP地址组成了租约的唯一标志符，客户端和服务器都会使用这个标志符来标识任何后续DHCP消息所引用的租约，DHCPACK消息中的YourIPAddress字段会填充为客户端选择的网络地址
  • 客户端收到DHCPACK消息和其它配置参数，客户端会对参数做最终检查，比如使用ARP检查IP地址是否被占用，此时客户端完成配置
  • 如果客户端检查出DHCPACK消息存在问题，比如IP地址已经被使用，客户端就会发送DHCPDECLINE广播给服务器来拒绝分配并重启配置过程。为了防止拥塞网络，客户端需要等待最少10秒再重启配置过程。服务器收到DHCPDECLINE消息后，必须把提供的IP标记为不可用并且需要通知系统管理员系统配置出现问题
  • 如果客户端收到DHCPNAK消息，客户端会重启配置过程
  • 客户端可以给服务器发送DHCPRELEASE消息来放弃租约，消息中附上自己的硬件地址和已经分配的IP地址

DHCP租约更新

DHCP租约更新流程图如下：

sequenceDiagram
    participant client AS DHCP Client
    participant server AS DHCP Server

    Note over client, server: 客户端试图更新已分配IP租约

    server -->> client: 发送带有T1, T2时间的DHCPACK消息

    alt T1时间到期
        client ->> server: 发送DHCPREQUEST请求延长租约
        server ->> client: 通常发送DHCPACK消息确认延长租约并更新T1, T2
    else T2时间到期
        client -->> server: 发送DHCPREQUEST广播请求延长租约
        server -->> client: DHCPACK确认延长租约
    else 租约已过期
        client -->> client: 停止使用当前TCP/IP配置
        client -->> server: 发送DHCPDISCOVER重新获取IP地址
    end
  • 当DHCP服务器发送DHCPACK消息给客户端时，消息中带有（T1,T2，T1 < T2）两个时间参数，T1默认为0.5 * 租约时间，T2默认为0,875 * 租约时间。客户端成功配置IP后，会启动两个定时器T1和T2，此时客户端处于已绑定状态
  • 当T1定时器到期时，客户端会通过单播发送DHCPREQUEST消息给服务器请求延长租期，客户端会处于更新中状态，服务器一般会发送DHCPACK允许延长租约并附上更新的租约时间和时间参数T1和T2，在大多数情况下，一个活跃的客户端可以无限延长租约
  • 当T2过期之前客户端仍然没有收到DHCPACK消息时，客户端会进入重新绑定状态，它会通过广播发送DHCPREQUEST消息来延长租约，这个请求可以被网络中的任何一个DHCP服务器确认
  • 如果租约过期后客户端仍然没有收到DHCPACK消息，它必须停止使用当前的TCP/IP配置，回到初始状态，通过广播发送DHCPDISCOVER消息来获取合法地址

使用先前分配的地址

如果客户端记住并想重新使用之前分配过的网络地址，需要执行下列步骤：

  • 客户端在本地子网中广播DHCPREQUEST消息，消息中包括客户端网络地址
  • 如果客户端的租约还没过期，DHCP服务器会发送DHCPACK消息给客户端并更新租约，如果租约已经过期，DHCP服务器会发送DHCPNACK消息
  • 客户端收到DHCPACK消息后会执行最终检查，此时客户端配置成功，T1/T2计时器也会被重置
  • 如果客户端发现DHCPACK消息参数存在问题，它会发送DHCPDECLINE消息拒绝分配并重启配置过程以获取一个新的网络地址，如果客户端收到DHCPNACK，它就不能使用自己记住的网络地址，它必须通过重启配置过程来获取一个新的网络地址

DHCP总结

DHCP极大的减少了网络管理员手动配置网络的工作负担，设备在不同网络切换并且可以自动获取正确的配置信息，这对于手机用户来说非常有用。DHCP只有在主机活跃的时候才给它们分配IP地址，或者使用更短的租期来减少需要的IP的数量。不过DHCP也有缺点：

  • DHCP依赖UDP构建，UDP不保证网络安全，未授权的客户端也可以连上网络并获取一个合法的IP地址，未授权的DHCP服务器也可以被设置来发送错误和有害的信息给客户端
  • 因为DHCP是动态分配，所以在不能提前确定某个IP对应的主机是哪一个，比如在使用静态DNS服务器就会出现问题，解决办法就是让管理员手动分配IP地址给那些需要设置域名的主机