Wireshark协议分析之DHCP

一：前言

在网络时代早期，当一台设备想要在网络上通信时，它需要被手动分配一个地址。随着网络的发展，这样的手动过程很快变得繁琐起来。为了解决这个问题，BOOTP协议（Bootstrap Protocol）问世，它主要作用是给连接到网络的设备自动分配地址。BOOTP后来被更加复杂的协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）所取代

DHCP是一个应用层协议，负责让设备能够自动获取IP地址（以及其他重要的网络资源，比如DNS服务器和路由网关的地址）。今天大多数的DHCP服务器都向客户端提供其他的一些参数，比如网络上的默认网关和DNS服务器的地址

二：DHCP头结构

操作码（OpCode）：指出这个数据包是DHCP请求还是DHCP回复

硬件类型（Hardware Type）：硬件的地址类型（10MB以太网、IEEE802、ATM以及其他）

硬件地址长度（Hardware Length）：硬件地址的长度

跳数（Hops）：中继代理用以帮助寻找DHCP服务器

事务 ID（Transaction ID）:用来匹配请求和响应的一个随机数

消耗时间（Seconds Elapsed）：从客户端第一次向DHCP服务器发出地址请求到获得响应所需要的时间

标志（Flags）：DHCP客户端能够接受的流量类型（单播、广播以及其他）

客户端IP地址（Client IP Address）：客户端的IP地址（由“你的”IP地址域派生）

“你的”IP地址：（Yours IP  Address）：DHCP服务提供的IP地址

服务器IP地址（Server IP Address）：DHCP服务器的IP地址

网关IP地址（Gateway IP Address）：网络默认的网关地址

客户端硬件地址（Client Hardware Address）：客户端的MAC地址

服务器主机名（Server Host Name）：服务器的主机名（可选）

启动文件（Boot File）：DHCP所使用的启动文件（可选）

选项（Options）：用来对DHCP数据包进行扩展，以提供更多的功能

三：DHCP续租过程

DHCP的主要任务就是在续租过程中向客户端分配IP地址。其过程通常被称为DORA过程，因为它使用了4种确认类型的DHCP数据包：发现（Discover）、提供（Offer）、请求（Request）、确认（Acknowledgement）

1   发现数据包

第一个数据包从 0.0.0.0 的 68 端口发往目的地 255.255.255.255 的 67 端口。客户端使用 0.0.0.0 是因为它目前还没有IP地址。数据包被发送至 255.255.255.255 ，是因为这是一个独立于网络的广播地址，从而确保这个数据包回被发往网络上的每台设备。因为这台设备并不知道DHCP服务器的地址，所以第一个数据包是为了寻找正在监听的DHCP服务器

从上图可以看出DHCP是基于UDP作为传输层协议的，这是一个请求数据包，在消息类型域中标识为1。该数据包中大多数字段为空，这个数据包的主要内容为以下四个字段

1 DHCP消息类型：这里为53（t=53），长度为1，值为1，是一个DHCP发现数据包

2 客户端标识符：这里提供了客户端请求IP地址的额外信息

3 所请求IP地址：这里提供了客户端希望得到的IP地址（通常是之前用过的IP地址）

4 请求参数列表：这里列出了客户端希望从DHCP服务器接收到的不同配置项（其他重要网络设备的IP地址）

2   提供数据包

这个数据包显示从 192.168.1.5 发往 192.168.1.10 。因为客户端实际上还没有192.168.1.10这个地址，所以服务器会首先尝试使用由ARP提供的客户端硬件与之通信。如果通信失败，那么将会直接提供（Offer）广播出去，进行通信

这个数据包的DHCP部分，称为提供数据包，表名这是一个响应的消息类型。这个数据包包含了和前一个数据包相同的事务ID，意味着这个响应与原先的请求相对应

该数据包由DHCP服务器发出，用以向客户端提供服务。它提供了关于其自身的信息，以及它想要给客户端提供的IP地址（3），Next Server IP address 域中的值表示DHCP服务器与默认网关共享一个IP地址

3   请求数据包

在客户端接收到DHCP服务器服务器提供的数据包之后，它将以一个DHCP请求数据包作为接受确认、

该文件的第三个数据仍然从IP地址 0.0.0.0 发出，因为没有完成获取IP地址的过程，但数据包知道了它所有通信的DHCP服务器

消息类型字段显示这是一个请求数据包，这个包与发现数据包相似，其所有的IP地址信息都是空的

在最后地选项域，这个所要请求的IP地址不再是空，且DHCP服务器标识域也有IP地址

4   确认数据包

这个过程的最后一步就是DHCP在确认数据包中给客户端发送其所请求的IP地址，并在数据库中记录相关信息

这时客户端就有了一个IP地址，可以在网络上通信

四：DHCP租约内续租

当DHCP给一台设备分配了一个IP地址，它同时也给客户端定下了一个租约。客户端在有限时间之内只用这个地址，否则就必须续租。上面的例子是客户端第一次获取IP地址或者其租约已经过期的情况下

当一个拥有IP地址的客户端在租约内重新启动时，它必须进行一次精简版的DORA过程，来重新认领它的IP地址，称为租约内续租

在租约内续租时，发现和提供数据包就没必要了（前两步），只需要完成请求和确认两个步骤

五：DHCP选项和消息类型

DHCP依赖于可选项来提供真正的灵活性。数据包的DHCP选项在大小和内容上都可以变化。数据包的整体大小则取决于其所使用的选项

所有DHP数据包都需要的唯一选项就是消息类型选项（53），这个选项标识着DHCP客户端或者服务器将如何处理数据包中的信息

消息类型：

类型号 1 ：客户端用来定位可用的DHCP服务器

类型号  2：服务器用来给客户端发送发现数据包的响应

六：DHCPv6

如果按照之前的DHCP数据包结构的定义，该结构中没有为IPv6地址提供足够的空间。为了解决这个问题，同时不对DHCP协议进行改动，在RFC3315中提出了DHCPv6协议。由于DHCPv6不是基于BOOTP协议（DHCP的前身）设计的，因为DHCPv6的数据包结构要比DHCP协议精简很多

如上图所示，DHCPv6数据包结构仅包含2个两个字段，其作用与DHCP中的类似字段相同。数据包的其他部分取决于位于第一个字节的消息类型。在选项部分，每个选项由一个2字节的选项码和一个长度为2字节的选项值字段组成

DHCPv6实现了和DHCP相同的功能，但要理解DHCPv6的通信，不许把DORA替换为SARR（Solicit——Advertise——Request——Reply）

SARR过程包括以下4个步骤：

1  发起（Solicit）：客户端向一个特定地组播地址（ff02：：1：2）发送一个初始化数据包，尝试在网络发现可用的DHCPv6服务器

2  公告（Advertise）：一个可用的DHCPv6服务器直接回复客户端，表名此服务器能够提供地址分配和设置服务

3  请求（Request）：客户端通过组播的方式向服务器发起地址配置信息请求

4  回复（Reply）：服务器向客户端直接发送其请求的所有配置信息，SARR过程完成

上图描述了一台新入网的主机fe80：：20c：29ff：fe5e：7744按照SARR过程，从DHCPv6服务器 fe80：：20c：29ff：fe1f：a755获取配置信息

总的来说，DHCPv6和DHCP的数据包结构有很大的区别，但是在功能实现思路上是一致的。这个过程仍然包括DHCP服务器发现步骤和正式的配置信息获取步骤。这些事件通过客户端和服务器之间交互数据包中的事务ID进行关联。传统的DHCP机制不支持IPv6地址分配，因此，如果你的设备能够从网络中某个服务器自动获取IPv6地址，表明在你的网络中已经在运行DHCPv6服务