DHCP原理最全详解
DHCP原理最全详解
DHCP（动态主机配置协议）是一种网络管理协议，用于集中对用户IP地址进行动态管理和配置。本文将详细介绍DHCP的工作原理、报文格式、选项字段、消息类型、地址续租机制以及中继代理的工作流程。
一. DHCP是什么？
动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络管理协议，用于集中对用户IP地址进行动态管理和配置。DHCP于1993年10月成为标准协议，其前身是BOOTP协议。DHCP协议由RFC 2131定义，采用客户端/服务器通信模式，由客户端（DHCP Client）向服务器（DHCP Server）提出配置申请，DHCP Server为网络上的每个设备动态分配IP地址、子网掩码、默认网关地址，域名服务器(DNS)）地址和其他相关配置参数，以便可以与其他IP网络通信。
二. DHCP的工作原理
(1)基本原理:
- 协议报文基于UDP的方式进行交互
- DHCP采用C/S(Client/Server，客户端/服务器)通信模式，采用67(DHCP服务器)和68(DHCP客户端)两个端口号
(2)DHCP客户端首次接入工作原理
阶段 | 工作内容 |
|---|---|
第一步:发现阶段 | 首次接入网络的DHCP客户端以广播方式发送DHCP DISCOVER报文(目的IP地址为255.255.255.255)给同一网段内的所有设备(包括DHCP服务器或中继)。DHCP DISCOVER报文中携带了客户端的MAC地址(chaddr字段)、需要请求的参数列表选项(Option55)、广播标志位(flags字段)等信息。 |
第二步:提供阶段 | 与DHCP客户端位于同一网段的DHCP服务器都会接收到DHCP DISCOVER报文，DHCP服务器选择跟接收DHCP DISCOVER报文接口的IP地址处于同一网段的地址池，并且从中选择一个可用的IP地址，然后通过DHCP OFFER报文发送给DHCP客户端. |
第三步:这选择阶段 | 如果有多个DHCP服务器向DHCP客户端回应DHCP OFFER报文，则DHCP客户端一股只接收第一个收到的DHCP OFFER报文然后以广播方式发送DHCP REQUEST报文，该报文中包含客户端想选择的DHCP服务器标识符(即Option54)和客户端IP地址(即Option50，填充了接收的DHCP OFFER报文中yiaddr字段的IP地址) |
第四步:确认阶段 | DHCP客户端收到DHCP ACK报文，会广播发送免费ARP报文，探测本网段是否有其他终端使用服务器分配的IP地址，如果在指定时间内没有收到回应，表示客户端可以使用此地址。如果收到了回应，说明有其他终端使用了此地址，客户端会向服务器发送DHCP DECLINE报文，并重新向服务器请求IP地址，同时，服务器会将此地址列为冲突地址。当服务器没有空闲地址可分配时,再选择冲突地址进行分配，尽量减少分配出去的地址冲突。 |
三. DHCP报文格式
报文名称 | 工作内容 |
|---|---|
Op(op code) | 表示报文的类型，取值为1或2，含义如下:(1).客户端请求报。(2).服务器响应报文。 |
Secs(seconds) | 由客户端填充，表示从客户端开始获得IP地址或IP地址续后所使用了的秒数，缺省值为3800s |
Flags | 客户端请求服务器发送响应报文的形式，只有最高位有意义，其余15位置0。最高位为0时请求发送单播响应，最高位为1时请求发送广播响应 |
Yiaddr (your client ip address) | 表示服务器分配给客户端的IP地址。当服务器进行DHCP响应时，将分配给客户端的IP地址填入此字段 |
Siaddr(server ip address) | DHCP服务器的IP地址Chaddr(client hardware address):客户端的MAC地址 |
Options | DHCP通过此字段包含了服务器分配给终端的配置信息Htype(hardware type):表示硬件地址的类型 |
Hlen(hardware length) | 表示硬件地址的长度 |
Hops (hops) | 表示当前DHCP报文经过的DHCP Relay数目。该字段由客户端设置为0，每经过一个DHCP Relay时，该字段加1。此字段的作用是限制DHCP报文所经过的DHCP Relay数目 |
Xid | 表示DHCP客户端选取的随机数，使DHCP服务器的回复与DHCP客户端的报文相关联 |
Sname(server host name) | 表示客户端获取配置信息的服务器名字。此字段由DHCP服务器填写，是可选的。如果填写，必须是一个以0结尾的字符串 |
File(file name) | 表示客户端启动DHCP相关配置的文件名。此字段由DHCP服务器填写，随着DHCP地址分配的同时下发至客户端。本字段是可选的，如果填写，必须是一个以0结尾的字符串 |
四. DHCP Options预定义选项字段介绍
Options类型 | 工作内容 |
|---|---|
DHCP报文中Options字段 | 为可变长度字段，最多为312Byte，此字段包含了DHCP报文类型，服务器分配给终端的配置信息，如网关IP地址，DNS服务器的IP地址，客户端可以使用!P地址的有效租期等信息 |
Options字段 | 由Type、Length和Value三部分组成。其中Type字段取值范围1~255. |
Option 82称为中继代理信息选项 | Option 82中可以包含最多255个Sub-0ption，若定义了Option82，至少要定义一个Sub-Option。 |
DHCP中继或DHCP Snooping设备接收到DHCP客户端发送给DHCP服务器的请求报文后，在该报文中添加Option82，并转发-给DHCP服务器。管理员可以从Option82中获得DHCP客户端的信息，例如DHCP客户端所连接交换机端口的VLANID、二层端口号、中继设备的MAC地址等 | |
Option 43称为厂商特定信息选项 | DHCP服务器和DHCP客户端通过Option 43交换厂商特定的信息。当DHCP服务器接收到请求Option 43信息的DHCP请求报文(Option 55中带有Option43参数)后，将在回复报文中携带Option 43，为DHCP客户端分配厂商指定的信息。 |
在WLAN组网中，AP作为DHCP客户端，DHCP服务器可以为AP指定AC的IP地址，以方便AP与AC建立连接 |
五. DHCP消息类型
DHCP报文通过Options选项中的Type=53来表示DHCP的报文类型。当Type=53，Length=1，Value取值从01到08分别表示不同的DHCP报文类型
消息类型 | 工作内容 |
|---|---|
DHCP DISCOVER | DHCP客户端首次登录网络时进行DHCP交互过程发送的第一个消息，用来寻找DHCP服务器。 |
DHCP OFFER | DHCP 服务器用来响应DHCP DISCOVER消息，此消息携带了各种配置信息。 |
DHCP REQUEST | DHCP 客户端广播请求回应DHCP服务器OFFER消息;DHCP客户端重启广播确认之前的IP地址等配置信息;续租。 |
DHCP DECLINE | 当客户端发现服务器分配给它的IP地址发生冲突时会通过发送此消息来通知服务器 |
DHCP ACK | DHCP 服务器对客户端的DHCP REQUEST消息的确认响应消息 |
DHCP NAK | 服务器对客户端的DHCP REQUEST消息的拒绝响应消息。 |
DHCP RELEASE | 客户端可通过发送此消息主动释放服务器分配给它的IP地址。 |
DHCP INFORM | DHCP 客户端获取IP地址后，如果需要向DHCP服务器获取更为详细的配置信息(网关地址、DNS服务器地)则向DHCP服务器发送DHCPINFORM请求消息址 |
六. DHCP地址续租
- 当租期达到50%(T1)时，DHCP客户端会自动以单播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功。
- 当租期达到87.5%(T2)时，如果仍未收到DHCP服务器的应答，DHCP客户端会自动以广播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCPACK报文，则租期更新成功。
- 如果租期时间到时都没有收到服务器的回应，客户端停止使用此IP地址，重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址
七. DHCP分配IP地址顺序
- DHCP服务器的数据库中与客户端MAC地址静态绑定的IP地址。
- 客户端以前曾经使用过的IP地址，即客户端发送的请求报文中请求IP地址选项的地址(通过DHCP REQUEST报文，报文中的Option 50(请求的IP地址选项)字段填入曾经使用过的IP地址)。
- 在DHCP地址池中，顺序查找可供分配的空闲IP地址，最先找到的IP地址。
- 如果在DHCP地址池中未找到可供分配的空闲IP地址，则依次查询超过租期、发生冲突的IP地址，如果找到可用的IP地址，则进行分配，否则报告错误
八. DHCP中继客户端首次接入工作原理
第一和第二阶段
第一步：发现阶段
DHCP中继接收到DHCP客户端广播发送的DHCP DISCOVER报文后，进行如下处理：
检查DHCP报文中的hops字段，如果大于16，则丢弃DHCP报文；否则，将hops字段加1（表明经过一次DHCP中继），并继续下面的操作。
检查DHCP报文中的giaddr字段。如果是0，将giaddr字段设置为接收DHCPDISCOVER报文的接口IP地址。如果不是0，则不修改该字段，继续下面的操作。
将DHCP报文的目的IP地址改为DHCP服务器或下一跳中继的IP地址，源地址改为中继连 接客户端的接口地址，通过路由转发将DHCP报文单播发送到DHCP服务器或下一跳中继。
如果DHCP客户端与DHCP服务器之间存在多个DHCP中继，后面的中继接收到DHCP DISCOVER报文的处理流程同前面所述。
第二步：提供阶段
DHCP服务器接收到DHCP DISCOVER报文后，选择与报文中giaddr字段为同一网段的地址池，并为客户端分配IP地址等参数，然后向giaddr字段标识的DHCP中继单播发送DHCP OFFER报文。
DHCP中继收到DHCP OFFER报文后，会进行如下处理：
检查报文中的giaddr字段，如果不是接口的地址，则丢弃该报文；否则，继续下面的操作
DHCP中继检查报文的广播标志位。如果广播标志位为1，则将DHCP OFFER报文广播发送给DHCP客户端；否则将DHCP OFFER报文单播发送给DHCP客户端
第三和第四阶段
第三步:选择阶段
中继接收到来自客户端的DHCP REQUEST报文的处理过程同“第三步：选择阶段
第四步:确认阶段
中继接收到来自服务器的DHCP ACK报文的处理过程同“第四步：确认阶段”