深入了解DHCP的4步租约过程

最近在调试STM32F107+LAN8720+lwip的过程中网络方面遇到了很多问题。同时因为自己刚刚接触STM32单片机方面的知识，还有很多方面需要学习的。闲话不多说，先让我们简单了解下DHCP相关的知识。

DHCP的4步租约过程

DHCP租约过程就是DHCP客户机动态获取IP地址的过程。

DHCP租约过程分为4步：

1、客户机请求IP（客户机发DHCPDISCOVER广播包）；

2、服务器响应（服务器发DHCPOFFER广播包）；

3、客户机选择IP（客户机发DHCPREQUEST广播包）；

4、服务器确定租约（服务器发DHCPACK/DHCPNAK广播包）。

详解4步租约过程：

第1步：客户机请求IP

客户机请求IP也称为DHCPDISCOVER。

当一个DHCP客户机启动时，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，所以客户机就必须通过DHCP服务器来获取一个合法的地址。由于客户机不知道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UDP68端口作为源端口，使用255.255.255.255作为目标地址，使用UDP67端口作为目的端口来广播请求IP地址信息（见图一）。广播信息中包含了DHCP客户机的MAC地址和计算机名，以便使DHCP服务器能确定是哪个客户机发送的请求。

 

DHCP客户机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。

 

图一：客户机请求IP

 

第2步：服务器响应

服务器响应也称为DHCPOFFER。

当DHCP服务器接收到客户机请求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地址提供给客户机。如果有，DHCP服务器就将此IP地址做上标记，加入到DHCPOFFER的消息中，然后DHCP服务器就广播一则包括下列信息的DHCPOFFER消息：

DHCP客户机的MAC地址；DHCP服务器提供的合法IP地址；子网掩码；默认网关（路由）；租约的期限；DHCP服务器的IP地址。

 

因为DHCP客户机还没有IP地址，所以DHCP服务器使用自己的IP地址作为源地址，使用UDP67端口作为源端口，使用255.255.255.255作为目标地址，使用UDP68端口作为目的端口来广播DHCPOFFER信息（见图二）。

 

图二：服务器响应

 

第3步：客户机选择IP

客户机选择IP，也称为DHCPREQUEST。

DHCP客户机从接收到的第一个DHCPOFFER消息中选择IP地址，发出IP地址的DHCP服务器将该地址保留，这样该地址就不能提供给另一个DHCP客户机。当客户机从第一个DHCP服务器接收DHCPOFFER并选择IP地址后，DHCP租约的第三过程发生。客户机将DHCPREQUEST消息广播到所有的DHCP服务器，表明它接受提供的内容。DHCPREQUEST消息包括为该客户机提供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机提供IP地址，如果那些DHCPOFFER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。

 

在客户机选择IP的过程中，虽然客户机选择了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，所以客户机仍然使用0.0.0.0的地址作为源地址，使用UDP68端口作为源端口，使用255.255.255.255作为目标地址，使用UDP67端口作为目的端口来广播DHCPREQUEST信息（见图三）。

 

图三：客户机选择IP

 

第4步：服务器确认租约

服务器确认租约，也称为DHCPACK/DHCPNAK。

DHCP服务器接收到DHCPREQUEST消息后，以DHCPACK消息的形式向客户机广播成功的确认，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机的租约请求，但是客户机还没有收到服务器的DHCPACK消息，所以服务器仍然使用自己的IP地址作为源地址，使用UDP67端口作为源端口，使用255.255.255.255作为目标地址，使用UDP68端口作为目的端口来广播DHCPACK信息（见图四）。当客户机收到DHCPACK消息时，它就配置了IP地址，完成了TCP/IP的初始化。

 

如果DHCPREQUEST不成功，例如客户机试图租约先前的IP地址，但该IP地址不再可用，或者因为客户机移到其他子网，该IP无效时，DHCP服务器将广播否定确认消息DHCPNAK。当客户机接收到不成功的确认时，它将重新开始DHCP租约过程。

 

如果DHCP客户机无法找到DHCP服务器，它将从TCP/IP的B类网段169.254.0.0中挑选一个IP地址作为自己的IP地址，继续每隔5分钟尝试与DHCP服务器进行通讯，一旦与DHCP服务器取得联系，则客户机放弃自动配置的IP地址，而使用DHCP服务器分配的IP地址。

 

如果一台DHCP客户机有两个或者多个网卡，则DHCP服务器会为每个网卡分配一个唯一而有效的IP地址。

 

图四：服务器确认租约

 

图五：DHCP服务器日志

注：因为是虚拟机，所以这个DHCP服务器的系统时间有些问题

 

图六：DHCP客户机IP信息

可以看到客户端获取的IP地址是192.168.1.34；默认网关是192.168.1.10；DHCP服务器IP是192.168.1.240；租约时间是6个小时。

 

DHCP消息类型

1 DHCPDISCOVER 
2 DHCPOFFER 
3 DHCPREQUEST 
4 DHCPDECLINE 
5 DHCPACK 
6 DHCPNACK 
7 DHCPRELEASE
8 DHCPINFORM