DHCP 的执行过程 嵌入式网络

原文链接

• 理解DHCP的雏形BOOTP（Bootstrap Protocol）

• DHCP的为什么要替代BOOTP；它们的区别在哪里？

• 理解DHCP的工作原理与每个过程的数据帧取证

• Offer消息到底是以单播的方式进行发送，还是以广播的方式进行发送

• 关于DHCP服务器分配IP地址时的冲突检测

动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP）被设计用于动态的为网络中的主机分配IP地址及其它相关的TCP/IP属性，它属于客户/服务模式的应用程序，使用UDP协议号67（服务端）和68（客户端）工作。它代替了网络管理员手工为网络中的计算机配置IP地址及其它TCP/IP属性的工作，如果网络中的计算机数量较大，使用人工静态配置IP地址容易造成配置错误，比如：把一个IP地址配置到两台不同的计算机，当配置量过大时，这种失误是很有可能的，造成过大的管理成本开销，所以，在中大型网络中通常都使用DHCP为计算机自动配置IP地址及其它相关的TCP/IP属性，本小节将以描述DHCP的工作原理与演示DHCP在思科路由器上的配置为重点。

 

理解DHCP的雏形BOOTP（Bootstrap Protocol）:

DHCP的前生是BOOTP（Bootstrap Protocol），要理解DHCP，不得不说明一下这个BOOTP（Bootstrap Protocol），它比DHCP出现得更早，与DHCP提供类似的服务，用于网络早期的无盘工作站，这个无盘工作站在现今的网络应用中基本上已经退出应用市场了，如果还能看到它影子，那就是超市和商场所用的收银机。BOOTP的功能就是为这些无盘终端自动的分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS地址。

 

DHCP的为什么要替代BOOTP；它们的区别在哪里？

由于DHCP的出现，BOOTP逐渐被DHCP所替代，因为DHCP有更完善、更安全的工作机制、能够提供更灵活的IP地址分配方式、能够为客户机自动配置更多的TCP/IP参数，如果更具体的讲就是：BOOTP在分配IP地址时，IP地址和请求主机的MAC必须被预置到BOOTP服务器上，如果BOOTP客户端发来的IP地址请求消息中，请求主机的源MAC地址在BOOTP服务器上有记录，并对应了一个IP，那么，BOOTP服务器将对应的IP发放给BOOTP的客户端，如果没有对应记录的存在，请求会话将失败，这是BOOTP缺泛灵活性的一种典型代表；另外DHCP支持发放IP地址的“租约”机制，但是BOOTP不支持，关于“租约”机制，后面会有详细的描述；BOOTP只能最多分配4个网络参数，分别是IP地址、子网掩码、默认网关、DNS地址，DHCP可以提供更多的TCP/IP属性的自动配置。

 

理解DHCP的工作原理与每个过程的数据帧取证：

现在来理解DHCP的工作原理并取证每个工作过程的数据帧，如下图 9.12所示为DHCP的工作过程，这四个过程，基本上是现今网络领域公认的四大过程，但事实上，DHCP的工作原理在这四个公认的过程中还有一些小插曲，关于这一点，取证了如下图9.13所示的DHCP完整工作过程的数据帧，所以现在拟订一个清晰的学习思路：

理解DHCP四个工作步骤，并分析每个工作步骤的数据帧。

理解为什么在这四个工作步骤中会携带两个ARP请求消息，并分析这两个ARP请求消息。

第一步：DHCP客户端向本地子网发送一个DHCP的Discover消息，该消息是以广播的形式被发送到网络上，源MAC地址是发送源主机的MAC地址，源IP地址是0.0.0.0，因为此时的客户机还没有被DHCP动态的配置IP地址，目标MAC地址是广播MAC（FFFF.FFFF.FFFF），目标IP地址是广播IP（255.255.255.255）,为什么该消息会是广播，因为客户端现在根本就不知道网络上谁是DHCP服务器，关于DHCP客户端发送的DHCP Discover消息的数据帧如下图 9.14所示。

 

图9.14 DHCP的在Discover数据帧

 

在执行DHCP第二步Offer消息前的小插曲：当收到客户端发来的Discover消息的DHCP服务器会立即查寻自己可对外提供IP地址的地址池，提供一个可以分配给DHCP客端的机会IP，比如192.168.2.5；注意：此时并不是立即将这个地址分配出去，这只是一个可供分配的机会IP，DHCP服务器会以自己的MAC作为源MAC，自己的IP作为源目标，向网络中发送一个目标IP地址为192.168.2.5（事实上，就是那个机会IP）的ARP请求，目的在于：确认这个它（DHCP服务器）认为可以分配给某个客户端的IP地址，是否正在被别的主机使用，如果网络上有主机正在使用这个IP地址，可能是管理员人工输入的，该主机就会对这个ARP请求应答，这说明，192.168.2.5这个地址正在被使用，反之，没有应答，就表示DHCP可以将这个地址分配给某个DHCP的客户端，关于DHCP用于检测机会IP是否被其它主机使用的数据帧如下图9.15所示。

 

第二步：DHCP服务器必须完在上述的小插曲后，方可确定机会IP地址可以提供给DHCP的客户端，这也是为什么在DHCP工作的四个步骤中会出现一个ARP消息的原因。此时DHCP向网络中发送一个Offer消息，为客户端提供IP地址。

注意：行业工程师一直在争论着一个问题：Offer消息到底是以单播的方式进行发送，还是以广播的方式进行发送，然后，在进行协议分析时，有时会出现广播消息的Offer数据帧；有时会出现单播消息的数据帧，这是怎么回事？

 

首先说明：DHCP服务器发送的Offer消息，即可以是单播形式，也可以是广播形式，这要分情况而定，如果将Offer消息单纯的定义为广播或是单播发送都是不严密的定义，事实上DHCP的Offer消息是广播还是单播，这取决于DHCP客户的具体情况，它可以从如下图图 9.16所示DHCP报文中的两个关键字段来做出定义，客户端IP地址（CIAddr）和标志（Flags）中的Broadcast flag来决定：

n如果Broadcast flag被转置位为1，则表示客户机不允许DHCP服务器的Offer消息以单播的方式回应，所以必须使用广播回应，在如下图 9.16所示的数据帧中Broadcastflag被转置位为0，所以DHCP服务器可以选择以单播的方式发送Offer消息。

n如果客户端IP地址（CIAddr）有一个明确的IP地址，这个已经存在的IP地址，可能是上次引导计算机时DHCP服务器提供的IP地址。那么，此时DHCP服务器的Offer消息将以单播的方式回应。

n如果Broadcast flag和客户端IP地址（CIAddr）都是0；此时，DHCP服务器既可以使用广播进行Offer消息发送，也可以使用上一步小插曲中的ARP记录进行单播发送，因为在小插曲中的机会地址检测说明网络上没有主机使用这个地址，所以，此时DHCP服务可以假定192.168.2.5这个IP地址可供请求主机使用，所以，可以使用单播的形式回送Offer消息给DHCP客户机，但事实上，请求主机此时还没有真正的获得这个IP。

第三步：当DHCP的客户机收到服务器发来的Offer消息后，它会以广播的形式发出一个DHCP的Request消息，正式向DHCP服务器申请IP地址，注意该消息并不是只发给提供机会IP的DHCP服务器，而是以广播的形式发送给网络中的所有DHCP服务器，因为一个网络上有可能存在多台DHCP服务器，现在DHCP客户端正是使用这个DHCP的Request广播向整个网络可能存在的所有DHCP服务器讲：“我现在准备申请192.168.2.1这台DHCP服务器所提供的192.168.2.5这个IP地址如下图 9.17所示，其它DHCP服务器，你们的好意心领了！”相当于是委婉的拒绝其它的DHCP服务器提供相应的IP地址，也就是说：如果网络上还有其它的DHCP服务器，它们收到这个Request广播后，拆开广播帧，发现该数据帧里面的DHCP服务器Identifier字段为192.168.2.1，就视作客户端对自己的拒绝。

第四步：当DHCP服务器收到客户端发来的Request消息后，提供IP地址的DHCP服务器会给DHCP客户端发送一个DHCP的ACK消息，目的在于告诉DHCP客户端分配的IP地址的“租期”生效；并且告之什么时间可以提交“续租请求”；以及什么时候被分配的IP地址将从客户机上解除绑定；如下图9.18所示，所谓IP地址的“租期”指示IP地址在客户机上存在的有效时间，思科的路由器一般“租期”为24小时（１天），“续租请求”指示当“租期”已经使用了一天的一半时间时即12小时的时候，DHCP客户端可以发送续订这个IP地址的请求，如果DHCP服务器有更多的地址供分配给其它主机，那么，DHCP服务器将答应客户端的“续租请求”，然后将“租期”时间重新复位到24小时，如果，此时DHCP服务器上的地址池很紧张，已经没有多余的IP地址可供分配给其它主机，那么，DHCP服务器将拒绝“租期”，但是，它暂时不会回收IP地址，直到解除绑定时间到期，它仍然没有多余的IP供分配，那么DHCP服务器将回收已经分配出去的IP地址。关于DHCP服务器发送ACK消息的类型，可以是单播，也可以是广播，这与第二步中的DHCP Offer消息一样，关键取决于DHCP的客户端的几个关键字段，在这里就不再重复描述。

 

当DHCP客户端完成IP地址申请后的一个小插曲：

当完成上述DHCP的四个工作过程后，得到IP地址的主机为了最终确保在网络中，没有其它主机正在使用分配给它的IP地址，DHCP客户端会向网络中发送一条IP地址冲突检测的ARP消息，如下图 9.19所示，源和目标IP地址都是自己的IP，源MAC地址为DHCP客户端的MAC地址，目标MAC全为0；这个ARP请求，将永远不希望得到回应，因为“自己请求解析自己，如果网络上没有一个相同的自己（冒牌货，实际上就是地址冲突）”那么，这个ARP请求永远不可能得到回应，如果主机回应了这个ARP请求，就表示网络上有两台主机正在使用相同的IP地址，此时，DHCP客户端会给DHCP服务器发送一个DHCP的Decline的消息，意思就是“DHCP服务器，我被你忽悠了！现在我不要你的IP地址”。