DHCP协议详解

1. DHCP是什么

1.1 DHCP定义

DHCP（ Dynamic Host Configuration Protocol， 动态主机配置协议）定义：

• 存在于应用层（OSI）

• 前身是BOOTP（Bootstrap Protocol）协议

• 是一个使用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）协议工作的，被用于局域网的一个网络协议

• 主要是给网络快速自动地分配IP地址，能够帮助我们将IP地址和相关IP信息分配给网络中的计算机

• 常用的2个端口：67(DHCP server), 68(DHCP client)

1.2 DHCP服务器

• 一些运行有DHCP服务器端软件的特殊电脑

• 普通电脑中都内置有DHCP客户端模块，电脑接上网络后，DHCP客户端发现新连通的网络，会在该网络上找DHCP服务器。DHCP服务器将给电脑提供合理的网络配置，并把设置信息传回本机，本机和DHCP服务器之间的通信，都是通过DHCP协议进行的

1.3 DHCP主要作用

• 减少管理员的工作量

• 避免输入错误的可能

• 避免IP地址的冲突

• 提高了IP地址的利用率

• 方便客户端的配置：使client动态的获得IP地址、给设备配置正确的子网掩码，默认网关，DNS服务器地址信息等

2.DHCP的工作方式

2.1 DHCP的分配方式

自动分配

DHCP为客户端分配 租期为 永久的(无限长)的IP地址

手工分配

由 管理员为少数特定客户端（如WWW服务器等） 静态绑定固定的IP地址，通过DHCP将配置的固定IP地址发给客户端

动态分配

DHCP给主机指定一个有时间限制的IP地址，到达使用期限后或主机明确表示放弃这个地址时，客户端需要重新申请地址; 如果客户端没有重新申请，则这个地址将可能被其它的主机使用; 绝大多数客户端得到的都是这种 动态分配的地址(可以解决IP地址不够用的困扰)

2.2 DHCP的工作原理

租约（租约四部曲）

(1).发现阶段(DISCOVER)

• DHCP客户端启动时，计算机发现本机上没有任何IP地址设定，将以广播方式通过UDP 67端口发送DHCP DISCOVER请求报文（客户端的MAC地址信息）,来寻找DHCP服务器，请求IP地址租约，因为客户机还不知道自己属于哪一个网络，所以封包的源地址为0.0.0.0，目的地址为255.255.255.255，向网络发送特定的广播信息。

• 网络上每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收这个广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。

• 请求获得IP,子网掩码，默认网关,DNS等信息

(2).提供阶段(OFFER )

• 该客户对应的租约已存在且未被再次分配(包括租约到期和未到期的租约)，则直接分配已记录的地址信息

• 该客户对应的租约不存在,服务器响应DHCP OFFER，会从对应的地址池中查找（注意：该处地址池应该有个前提条件，就是可用的地址池：应当和接收口的IP为同一网段,或同giaddr字段同一网段,否则无法分配）；然后从尚未出租的IP地址中挑选一个最前面的ip地址连同其它的参数设定，响应给客户端一个DHCP OFFER (单播)报文,报文里面包括客户机MAC地址信息，TCP/IP的一些配置信息

(3).选择阶段(REQUEST)

• DHCP客户端可以接收到多个DHCP服务器的DHCP OFFER数据包，但只会挑选其中一个 DHCP OFFER（通常只接受收到的第一个DHCP OFFER数据包），然后会向网络发送一个DHCP REQUEST广播报文（报文中包含客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器地址等），告诉所有DHCP服务器它将指定接受哪一台服务器提供的 IP 地址，这样其他的服务器就会释放之前预分配给客户端的IP地址。同时，客户端还会向网络发送一个ARP 报文，查询网络上面有没有其它设备使用该 IP 地址，如果发现该 IP 已经被占用，客户端则会送出一个DHCP DECLIENT报文给 DHCP 服务器，拒绝接受其 DHCP OFFER，并重新发送 DHCP DISCOVER信息

• 此时，由于还没有得到DHCP服务器的最后确认，客户端仍然使用0.0.0.0为源IP地址，255.255.255.255为目标地址进行广播。

(4).确认阶段(ACK )

• 当DHCP Server收到DHCP Client发送的DHCP Request后，确认要为该DHCP Client提供的IP地址，并根据客户机的MAC地址记录该次租约行为后，并便向该DHCP Client响应一个ACK报文（包含该IP地址，默认网关，DNS服务器等网络配置信息），来告诉DHCP Client可以使用该IP地址了，并告知客户端这个网络参数租约的期限，并且开始租约计时。然后DHCP Client就可以将该IP地址与网卡绑定,完成初始化过程。另外其他DHCP Server都将收回自己之前为DHCP Client提供的IP地址

• 客户端在接收到DHCP ACK后，会向网络发送针对此IP地址的ARP解析请求以执行冲突检测，查询网络上有没有其它机器使用该IP地址；如果发现该IP地址已经被使用，客户机会发出一个DHCP DECLINE数据包给DHCP服务器，拒绝此IP地址租约，并重新发送DHCP DISCOVER信息.

• 当用户不再需要使用分配IP地址时，就会"主动"向DHCP服务器发送RELEASE报文，告知服务器用户不再需要分配IP地址，DHCP服务器会释放被绑定的租约(在数据库中清除某个MAC对某个IP的租约记录，这样，这个IP就可以分配给下一个请求租约的MAC)

续约

• DHCP客户机会在租期过去50%的时候，直接向为其提供IP地址的DHCP服务器发送DHCP REQUEST消息包；如果客户机接收到该服务器回应的DHCP ACK消息包，客户机就根据包中所提供的新的租期以及其它已经更新的TCP/IP参数，更新自己的配置，IP租用更新完成。如果没有收到该服务器的回复，则客户机继续使用现有的IP地址，因为当前租期还有50%

• 如果在租期过去50%的时候没有更新，则DHCP客户机将在租期过去87.5%的时候再次向为其提供IP地址的DHCP服务器联系；如果还不成功，到租约的100%时候，DHCP客户机必须放弃这个IP地址，重新申请

• 如果此时并没有DHCP可用，DHCP客户机会使用169.254.0.0/16中随机一个地址，并且每隔5min在进行尝试

2.3 DHCP协议包的组成

op: 1.client发送给server的封包，设为1 2.server发送给client的封包，设为2 htype: 硬件类别,1表示10Mb/s的以太网(Ethernet)的硬件地址 hlen: 硬件地址长度 hops:跳数,若封包需经过router传送，每站加 1，若在同一网内，为0(客户端初始设置为0) xid:DHCP REQUEST 时随机生成的一段字符串，服务器和客户端用来在它们之间交流请求和响 应,客户端用它对请求和应答进行匹配两个数据包拥有相同的xid说明他们属于同一次会话 seconds: 由客户端填充，表示从客户端开始获得IP地址或IP地址续借后所使用了的秒数 flags: 从0到15共16 bits 最左1Bit为1时表示 server将以广播方式传送封包给client 最左1Bit为0时表示 server将以单播方式传送封包给client ciaddr: 客户端会在发送请求时将自己的ip地址放在此处 yiaddr: 服务器会将想要分配给客户端的ip地址放在此处 siaddr: 一般来说是服务器的ip地址.但是注意:根据openwrt源码给出的注释，当报文的源地址、siaddr、option­>server_id字段不一致（有经过跨子网转发）时，通常认为option­>srever_id字段为真正的服务器ip，siaddr有可能是多次路由跳转中的某一个路由的ip giaddr: 如果需要跨子网进行DHCP地址发放，则在此处填入经过的路由器的ip地址 sname: 服务器主域名 file: 启动文件名，是一个空结尾的字符串。 options: 可以自由添加的部分，用于存放客户端向服务器请求信息和服务器的应答信息

2.4 DHCP中继

2.4.1 DHCP中继是什么

(1).在大型的网络中，可能会存在多个网段，DHCP客户机通过网络广播消息获得DHCP服务器的响应后得到IP地址。但广播消息是不能跨越网段的，因此，如果DHCP客户机和服务器在不同的网段内，即被路由器分割开来时，客户机向服务器申请IP地址的时候，就要用到DHCP中继

(2).当企业的内部网络规模较大时，通常被划分为多个不同的子网，网络内配置了VLAN，VLAN能隔离广播，而DHCP协议使用广播，DHCP服务器在哪个VLAN中，就只有在相同VLAN内的客户机能从DHCP服务器那里获取IP地址。所以，将DHCP这种特殊的广播信息在不同网段的VLAN之间转发，让其他VLAN的客户机也能从DHCP服务器那里获得IP地址，就要用到DHCP中继

(3).DHCP中继代理实际上是一种软件技术，安装了DHCP中继代理的设备(路由器，交换机，服务器)称为DHCP中继代理服务器，它承担不同网段间的DHCP客户机和服务器的通信

2.4.2 DHCP中继原理：

(1). DHCP客户机申请IP租约，发送DHCP Discover包

(2). 中继代理收到该包，并转发给另一个网段的DHCP服务器

(3). DHCP服务器收到该包，将DHCP Offer包发送给中继代理

(4). 中继代理将地址租约（DHCP Offer）转发给DHCP客户端，接下来的过程，DHCP Request包从客户机通过中继代理转发到DHCP服务器，DHCP ACK消息从服务器通过中继代理转发到客户机

3.DHCP攻防

3.1 DHCP攻击的原理

(1).先使用攻击软件，不断向DHCP服务器发出 DHCP Request 报文请求，耗尽DHCP服务器的资源，让客户机不能上网 (2).自己伪造DHCP服务器,并“冒充”为一这个网段中的合法DHCP服务器，向客户端提供DHCP服务，这时候客户端的网关就是伪造的DHCP服务器的地址，攻击者就可以截获流量，并且还可以将数据包正常转发到网络上，不影响客户端的正常通信，只不过客户端上网的流量都在攻击者监控下,并且非法DHCP+攻击程序容易拿到用户信息，比如用户操作系统的账号密码,结果DHCP客户端将从非法DHCP服务器处获得不正确的IP地址、网关、DNS等配置参数

3.2 非法DHCP服务的防范

(1).在DHCP服务器上进行IP与MAC地址的绑定： 在通过DHCP服务器进行客户端IP地址等参数分配的网络中，对于一些重要部门的用户，可以通过在DHCP服务器上绑定IP与MAC地址，实现对指定计算机IP地址的安全分配 (2).使用DHCP Snooping信任端口： 能够过滤来自网络中非法DHCP服务器或其他设备的非信任DHCP响应报文.一旦将交换机的某一个端口设置为指向正确DHCP服务器的接入端口，那么交换机会自动丢弃从其他端口上接收到的DHCP响应报文.因为非信任端口，所以非法的DHCP服务器虽然接收到了信息，也发出了响应报文，但是在不信任端口处被阻断了，内网设备就不会得到不信任DHCP发送的响应报文了,就是不管你响应有多快，但是都半路夭折了。

4.DHCPv6介绍

4.1 DHCPv6定义

• DHCPv6（Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6，支持IPv6的动态主机配置协议）是针对IPv6编址方案设计的，为主机分配IPv6前缀、IPv6地址,DNS等其他网络配置参数的协议

• 基于UDPv6协议工作的

• 常用的2个端口：547(DHCP server,relay), 546(DHCP client)

• 由于在 IPv6中 没有广播报文,使用组播（默认所有DHCPv6服务器都会加入并侦听该组播组：FF02::1:2）报文，客户端也无需配置服务端的IPv6地址

4.2 DHCPv6协议的优势

• 可以为主机分配IPv6地址

• 可以为主机分配IPv6前缀，DNS服务器、域名等网络配置参数

• 可以为特定主机分配特定的地址/前缀

• 便于全网络的自动配置和网络层次性管理

4.3 DHCPv6的工作原理

4.3.1 DHCPv6网络构成

DHCPv6客户端：动态获取IPv6地址、IPv6前缀或其他网络配置参数的设备 DHCPv6服务器：负责为DHCPv6客户端分配IPv6地址、IPv6前缀和其他网络配置参数的设备 DHCPv6中继：DHCPv6客户端通过本地链路范围的组播地址与DHCPv6服务器通信，以获取IPv6地址和其他网络配置参数。如果服务器和客户端不在同一个链路范围内，则需要通过DHCPv6中继来转发报文，这样可以避免在每个链路范围内都部署DHCPv6服务器，既节省了成本，又便于进行集中管理

4.3.2 分配过程

交互两个消息的快速分配过程

(1) DHCPv6客户端在发送的Solicit消息中携带Rapid Commit选项，标识客户端希望服务器能够快速为其分配地址/前缀和网络配置参数 (2) 如果DHCPv6服务器支持快速分配过程，则直接返回Reply消息，为客户端分配IPv6地址/前缀和其他网络配置参数。如果DHCPv6服务器不支持快速分配过程，则采用交互四个消息的分配过程为客户端分配IPv6地址/前缀和其他网络配置参数

交互四个消息的分配过程

发现阶段

客户端发送Solicit报文来发现 DHCPv6 服务器，并请求DHCPv6 服务器为其分配 IPv6 地址和网络配置参数,由于客户端不知道 DHCPv6 服务器的 IPv6 地址，所以客户端用组播地址：FF02::1:2向同一链路范围内的所有DHCPv6服务器发送Solicit报文;Solicit报文中携带了客户端的DUID、需要请求的非临时地址、以及其他网络配置参数等信息

提供阶段

DHCPv6 服务器接收到Solicit报文后，选择按照 IPv6 地址从小到大的顺序采用循环查找方式，选择最新找到的可供分配的 IPv6 地址，然后通过Advertise报文以单播方式回应给客户端；Advertise报文里面携带了服务器的DUID、客户端的DUID、分配给客户端的IPv6地址及租期等信息

选择阶段

因为Solicit报文是组播发送的，所以如果同一链路范围内存在多个 DHCPv6 服务器，则接收到Solicit报文的服务器都会回应Advertise报文，如果有多个 DHCPv6 服务器向DHCPv6客户端回应Advertise报文，则 DHCPv6 客户端选择服务器优先级最高的Advertise报文，然后客户端以组播方式向同一链路范围内的所有 DHCPv6 服务器发送Request报文，该报文中包含客户端选择的 DHCPv6 服务器的DUID、客户端的DUID、客户端IPv6地址

确认阶段

当 DHCPv6 服务器收到Request报文后，对报文中携带的服务端DUID信息进行判断：
若报文中携带的服务端DUID不是本服务端的DUID,则对该Request报文不回应,同时将Request报文中请求的IPv6地址回收
若报文中携带的服务端DUID是本服务端的DUID，则以单播方式回应Reply报文，确认Request报文中请求的IPv6地址分配给客户端使用

4.4 DHCPv6报文格式

5.DHCPv4 vs DHCPv6

(1). 相同点

• 使用DHCP client, DHCP relay and DHCP server概念

• 使用scopes and leases概念

• 使用4个消息包的完整交互 (DHCP for IPv4使用Discover/Offer/Request/Acknowledge (DORA), DHCPv6使用Solicit/Advertise/Request/Reply (SARR))

• 使用DHCP options为终端节点提供附加信息(DHCPv6的type code长度为16-bit)

• 支持Rapid Commit功能

(2). 差异点

• 标识客户端方式：DHCPv6使用DHCP Unique Identifiers (DUID) (RFC 6355),DHCPv4使用MAC地址.

• 消息类型名称不同，大部分功能类似

• DHCPv4基于IPv4包传输，DHCPv6基于IPv6包传输

• DHCPv6使用IPv6组播消息，DHCPv4使用广播的IPv4消息

• DHCPv6中client与relay/server(RFC 6939)通信时使用link-local地址, DHCPv4使用unsolicited广播地址

• 监听的UDP端口不同, DHCPv4 relay/server监听udp端口67 client监听udp端口68, relay/server监听udp端口547 client监听udp端口546

• DHCPv4可以在路由器上配置, stateful DHCPv6一般不能在路由器上配置

• DHCPv4为客户端提供默认网关地址，DHCPv6不包含这个option，IPv6节点通过ICMPv6 RA消息学习到first hop路由器地址

• DHCPv4地址池可能耗尽; DHCPv6网段通常为64位耗尽可能性接近0

好了，DHCP讲解到此结束