DHCP 工作原理

DHCP 工作原理

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一、什麼是DHCP?

　　DHCP，動態主機配置協議，前身是BOOTP協議，是一個局域網的網絡協議，使用UDP協議工作，常用的2個端口：67(DHCP server),68(DHCP client)。DHCP通常被用於局域網環境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client動態的獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務器地址等信息，並能夠提升地址的使用率。簡單來說，DHCP就是一個不需要賬號密碼登錄的、自動給內網機器分配IP地址等信息的協議。

二、DHCP協議中的報文

DHCP報文共有一下幾種：

• DHCP DISCOVER ：客戶端開始DHCP過程發送的包，是DHCP協議的開始
• DHCP OFFER ：服務器接收到DHCP DISCOVER之後做出的響應，它包括了給予客戶端的IP（yiaddr）、客戶端的MAC地址、租約過期時間、服務器的識別符以及其他信息
• DHCP REQUEST ：客戶端對於服務器發出的DHCP OFFER所做出的響應。在續約租期的時候同樣會使用。
• DHCP ACK ：服務器在接收到客戶端發來的DHCP REQUEST之後發出的成功確認的報文。在建立連接的時候，客戶端在接收到這個報文之後纔會確認分配給它的IP和其他信息可以被允許使用。
• DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的報文，表示服務器拒絕了客戶端的請求。
• DHCP RELEASE ：一般出現在客戶端關機、下線等狀況。這個報文將會使DHCP服務器釋放發出此報文的客戶端的IP地址
• DHCP INFORM ：客戶端發出的向服務器請求一些信息的報文
• DHCP DECLINE :當客戶端發現服務器分配的IP地址無法使用（如IP地址衝突時），將發出此報文，通知服務器禁止
  使用該IP地址。

DHCP 的 工作流程：

 

3、DHCP 協議包的組成

• Xid :隨機生成的一段字符串，兩個數據包擁有相同的xid說明他們屬於同一次會話
• Ciaddr :客戶端會在發送請求時將自己的ip地址放在此處
• Yiaddr :服務器會將想要分配給客戶端的ip地址放在此處
• Siaddr :一般來說是服務器的ip地址.但是注意！根據openwrt源碼給出的註釋，當報文的源地址、siaddr、option­>server_id字段不一致（有經過跨子網轉發）時，通常認爲option­>srever_id字段爲真正的服務器ip，siaddr有可能是多次路由跳轉中的某一個路由的ip （下圖中wireshark抓包中也有標明siaddr爲nextserver ip address）
• Chaddr :客戶端的mac地址
• Giaddr :如果需要跨子網進行DHCP地址發放，則在此處填入經過的路由器的ip地址
• Sname :服務器主域名
• Options :可以自由添加的部分，用於存放客戶端向服務器請求信息和服務器的應答信息

 

DHCP 客戶端

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一、DHCP 原理

1、什麼是DHCP 客戶端

 　  DHCP客戶端一般來說是局域網中獨立的PC主機。

　　DHCP客戶端發出的DHCP DISCOVER包是DHCP協議的開始。

　　延續租期、發現、釋放IP地址等大多數DHCP中的行爲都是由DHCP客戶端主動發起。

2、DHCP 自動狀態機

　　DHCP獲得ip地址的4步驟：discover­>offer­>request­>ack(nak)

　　DHCP刷新租期的步驟：request­>ack(nak)

　　DHCP釋放ip的步驟：release

　　wnr2000v5 1.0.0.8的代碼中沒有發現rebooting、init­reboot狀態。所以DHCP client的狀態一般從init開始，完整的狀態機如下圖（紅色代表客戶端的狀態跳轉）：

 

DHCP Server

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 一、DHCPD 原理

1、簡述

 　　DHCP SERVER指的是服務器端，在路由器上體現的就是給LAN端動態分配IP的功能。DHCP SERVER負責接收客戶端的DHCP請求，管理LAN端所有的IP網絡設定資料，相比於BOOTP，DHCP通過“租約”來實現動態分配IP的功能，實現IP的時分複用，從而解決IP資源短缺的問題。其地址分配方式有三種，分別是人工配置（由管理員對每臺具體的計算機指定一個地址），自動配置（服務器爲第一次連接網絡的計算機分配一個永久地址），動態配置（在一定的期限內將地址租給計算機，租期結束後客戶必須續租或者停用該地址），而對於路由器，經常使用的地址分配方式是動態配置。

2、兩個租約表

• 靜態租約表：對應一個靜態租約存儲文件，server運行時從文件中讀取靜態租約表。
• 動態租約表：對應一個週期存儲文件，server週期性將租約表存進該文件，在程序開始時將會讀取上次存放的租約表。（租約表記錄了當前所有分配的租約，包括靜態鏈接的）。

3、基本邏輯

　　原則上DHCP SERVER是一直處在被動接受請求的狀態，當有客戶端請求時，服務器會讀取獲得客戶端當前所在的狀態以及客戶端的信息，並在靜態租約表和動態租約表中進行檢索找到相應的表項，再根據客戶端的狀態執行不同的回覆。當收到客戶端的首次請求時，DHCP服務器先查找靜態租約表；若存在請求的表項，返回這個客戶的靜態IP地址；否則，從IP地址池中選擇可用的IP分配給客戶，並添加信息到動態數據庫中。此外，服務器將會週期性的刷新租約表寫入文件存檔，在這個過程中會順便對動態租約表進行租期檢查。

執行回覆動作：

• DHCPOFFER：
  • 靜態租用：首先匹配MAC地址，看是否能在靜態租約表中找到對應的項，若能找到就把IP分配給他。靜態表中的IP不能被其他客戶使用。   
  • 動態租用：
    • 1.server試圖分配給client上次分配過的IP，在這之前檢查這個IP是否正在使用。
    • 2.discover中含有request ip 時，檢查該IP是否在地址池範圍，是否正在使用，是否到期，是否是靜態IP，網絡上是否已經存在。
    • 3.discover不含request ip，從地址池上尋找一個最小的可用IP分配。
• DHCPACK: 根據是否含有request ip和server ip識別客戶端現在init_reboot,selecting,renewing/rebinding中的哪個狀態，並根據以下規則執行DHCPACK回覆：
  • 1.若client處於selecting狀態，驗證request ip和server ip是否同服務器中的匹配。
  • 2.若client處於init_reboot狀態，驗證request ip是否符合租約記錄。
  • 3.若client處於renewing/rebinding狀態，驗證client ip address是否符合租約記錄。
• DHNAK:
  • 1.請求的IP是靜態IP，但是MAC地址無法與其對應。
  • 2.上面DHCPACK中驗證失敗。　　
• 服務器還可能會收到其他包:
  • DHCPDECLINE:server會把租約表中相關client硬件地址置空，並保存這個地址一段時間。
  • DHCPRELEASE:清空租期回收IP。
  • DHCPINFORM:回覆DHCPACK，數據包含有關於server的信息。