DHCP和PPPoE协议以及抓包分析

一、DHCP协议学习

1.1 定义

DHCP（动态主机配置协议）：是一个局域网的网络协议。指的是由服务器控制一段IP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码。默认情况下，DHCP作为Windows Server的一个服务组件不会被系统自动安装，还需要管理员手动安装并进行必要的配置。

1.1.1 使用DHCP的优点

1. 自动化配置：DHCP 可以自动为计算机、手机、平板等设备分配 IP 地址、子网掩码、网关和 DNS 服务器等网络参数，避免了手动配置的繁琐和出错。

2. 管理方便：DHCP 服务器可以为大量的设备分配 IP 地址，同时也可以轻松地管理这些地址的使用情况。在需要更改网络参数时，管理员只需要更改 DHCP 服务器的配置即可，而无需逐个修改每个设备的网络参数。

3. 防止 IP 地址冲突：使用 DHCP 可以避免因手动分配 IP 地址而导致的地址冲突问题，DHCP 服务器会自动检测已分配的 IP 地址是否已被使用，避免了因地址冲突而导致的网络故障。

4. 管理 IP 地址池：DHCP 服务器可以管理 IP 地址池，确保每个设备都有一个可用的 IP 地址。DHCP 服务器可以为不同的子网分配不同的 IP 地址池，避免了 IP 地址不足或浪费的问题。

5. 网络安全性：DHCP 可以通过 MAC 地址绑定和 IP 地址租用时间等方式提高网络安全性。通过 MAC 地址绑定，可以限制只有指定的设备才能获得 IP 地址，从而防止未授权的设备接入网络。通过 IP 地址租用时间，可以定期刷新 IP 地址，从而避免未经授权的设备长时间占用 IP 地址。

1.2 DHCP客户端

通常为网络中的PC、打印机等终端设备，使用从DHCP服务器分配下来的IP信息，包括IP地址、DNS、子网掩码、默认网关等。

1.3 DHCP服务器

所有的IP网络设定信息都由DHCP服务器集中管理，并处理客户端的DHCP请求。
DHCP服务器为客户端分配IP地址有三种形式：
自动分配方式（Automatic Allocation），DHCP服务器为主机指定一个永久性的IP地址，一旦DHCP客户端第一次成功从DHCP服务器端租用到IP地址后，就可以永久性的使用该地址。
动态分配方式（Dynamic Allocation），DHCP服务器给主机指定一个具有时间限制的IP地址，时间到期或主机明确表示放弃该地址时，该地址可以被其他主机使用。
手工分配方式（Manual Allocation），客户端的IP地址是由网络管理员指定的，DHCP服务器只是将指定的IP地址告诉客户端主机。

1.4 端口

DHCP采用UDP作为传输协议，客户端发送消息到DHCP服务器的的 67号端口，服务器返回消息给客户端的 68号端口。

1.5 DHCP中继

默认情况下，路由器隔离广播包，不会将收到的广播包从一个子网发送到另一个子网。当DHCP服务器和客户端不在同一个子网时，充当客户端默认网关的路由器将广播包发送到DHCP服务器所在的子网，这一功能就称为DHCP中继。
DHCP中继代理，就是在DHCP服务器和客户端之间转发DHCP数据包。当DHCP客户端与服务器不在同一个子网上，就必须有DHCP中继代理来转发DHCP请求和应答消息。DHCP中继代理的数据转发，与通常路由转发是不同的，通常的路由转发相对来说是透明传输的，设备一般不会修改IP包内容。而DHCP中继代理接收到DHCP消息后，重新生成一个DHCP消息，然后转发出去
DHCP中继主机必须自己具有路由能力，且能将双方的数据报互传对方。如果不使用中继，也可以在每一个网络中安装DHCP服务器，但这样的话，一来设备成本会增加，而且管理上面也比较分散。当然，如果在大型的网络中，这样的均衡式架构还是可取的。

1.6 报文格式及其类型

1.7 DHCP协议中的报文

1、DHCP DISCOVER：客户端开始DHCP过程的第一个报文，是请求IP地址和其它配置参数的广播报文。
2、DHCP OFFER：服务器对DHCP DISCOVER报文的响应，是包含有效IP地址及配置的单播（或广播）报文。
3、DHCP REQUEST：客户端对DHCP OFFER报文的响应，表示接受相关配置。客户端续延IP地址租期时也会发出该报文。
4、DHCP DECLINE：当客户端发现服务器分配的IP地址无法使用（如IP地址冲突时），将发出此报文，通知服务器禁止使用该IP地址。
5、DHCP ACK ：服务器对客户端的DHCP REQUEST报文的确认响应报文。客户端收到此报文后，才真正获得了IP地址和相关的配置信息。
6、DHCP NAK：服务器对客户端的DHCP REQUEST报文的拒绝响应报文。客户端收到此报文后，会重新开始新的DHCP过程。
7、DHCP RELEASE：客户端主动释放服务器分配的IP地址。当服务器收到此报文后，则回收该IP地址，并可以将其分配给其它的客户端。
8、DHCP INFORM：客户端获得IP地址后，发送此报文请求获取服务器的其它一些网络配置信息，如DNS等。

二、DHCP交互过程以及抓包分析

2.1 接线准备

抓取测试路由相关数据，LAN口直连电脑是为了直接对路由器进行控制。

2.2 DHCP连接抓包分析

2.2.1 DHCP DISCOVER（搜索阶段）

此数据包由DHCP Client发送，采用广播的形式通知网络内的DHCP服务器自己需要获得一个IP地址。
当DHCP客户端第一次登录网络的时候，计算机发现本机上没有任何IP地址设定，将以广播方式发送DHCP discover发现信息来寻找DHCP服务器，即向255.255.255.255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。

2.2.2 DHCP OFFER（提供阶段）

在网络中接收到DHCP discover发现信息的DHCP服务器就会做出响应，它从尚未分配的IP地址池中挑选一个分配给DHCP客户机，向DHCP客户机发送一个包含分配的IP地址和其他设置的DHCP offer提供信息。因为此时客户端还没有IP，所以返回信息也是以广播的方式返回的。

2.2.3 DHCP REQUEST（选择阶段）

DHCP客户端接受到DHCP offer提供信息之后，选择第一个接收到的提供信息，然后以广播的方式回答一个DHCP request请求信息，该信息包含向它所选定的DHCP服务器请求IP地址的内容。

2.2.4 DHCP ACK（确认阶段）

当DHCP服务器收到DHCP客户端回答的DHCP request请求信息之后，便向DHCP客户端发送一个包含它所提供的IP地址和其他设置的DHCP ack确认信息，确认租约，并指定租约时长。告诉DHCP客户端可以使用它提供的IP地址。然后，DHCP客户机便将其TCP/IP协议与网卡绑定，另外，除了DHCP客户机选中的DHCP服务器外，其他的DHCP服务器将收回曾经提供的IP地址。

2.2.5 DHCP RELEASE（释放）

2.3 地址获取状态

三、PPPoE协议

接线如上，路由器配置如下：

3.1 定义

PPPoE是以太网点对点协议的首字母缩写（Point to Point Protocol over Ethernet）。PPPoE是从另一个称为PPP的旧协议派生的网络协议，即点对点协议。
PPPoE在数据链路层依旧是采用以太网格式的数据帧进行封装，但是在以太网封装完毕后，会进行PPPoE的数据头封装，PPPoE包括PPPoE头和PPPoE数据段两个部分，而PPPoE数据段部分中又包含了PPP帧和正常的数据。
注意：这里的PPP帧并不是一个完整的PPP帧，它只包含了PPP帧的Protocol字段和正常的数据。其他的字段（如FLAG、FCS等）在PPPoE建立过程中并不需要。

3.2 PPPoE数据包封装

Ver： 版本号， 4bit， PPPoE规范的本版本为0x01
Type： 类型， 4bit， PPPoE规范的本版本应设置为0x01
Code： 代码字段、8bit， 根据两阶段中各种数据包的不同功能而值不同
Session_ID： 长度是16比特。是一个网络字节序的无符号值。其值在后面Discovery数据包中定义。
Length： 长度是16比特。该值是PPPoE的Payload长度。它不包括以太网头部和PPPoE头部的长度。
Payload: PPPoE的Payload，包含0个或多个Tag。

3.3 PPPoE建立流程

PPPoE建立过程可以分为Discovery阶段和PPP会话阶段。Discovery阶段是一个无状态的阶段，该阶段主要是选择接入服务器，确定所要建立的PPP会话标识符Session ID，同时获得对方点到点的连接信息；PPP会话阶段执行标准的PPP过程。

3.3.1 PADI（PPPoE Active Discovery Initiation）

主机广播发起分组，以太头中的目的地址是以太广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF，PPPOE头中的CODE为0x09，SESSION_ID值必须为0，负载部分必须只包含一个Service-Name类型的TAG表示请求的服务类型，另外可以包含其他TAG，整个PPPOE包不能超过1484字节，这样省出的16字节可以由ADSL中继设备添加中继TAG。

3.3.2 PADO（PPPoE Active Discovery Offer）

由AC发出，用来回应客户机的PADI包，以太头中的目的地址是客户机的MAC地址，PPPOE头中的CODE为0x07，SESSION_ID值必须为0，负载部分必须包含一个AC-Name类型的TAG，用来指示本AC的名称，一个在PADI包中指定Service-Name的TAG，另外可以包含其他Service-Name的TAG。如果AC不对该客户机提供服务，AC就不回应PADO包。

3.3.3 PADR（PPPoE Active Discovery Request）

由客户机发出，因为可能会有多个AC对客户机发出的PADI包回应了PADO包，客户机从回应的PADO包中选择一个AC发送PADR包，以太头中的目的地址是该AC的MAC地址，PPPOE头中的CODE为0x19，SESSION_ID值必须为0，负载部分必须只包含一个Service-Name类型的TAG表示请求的服务类型，另外可以包含其他TAG。

3.3.4 PADS（PPPoE Active Discovery Session-confirmation）

由AC发出，收到客户机的PADR包后，AC将产生一个SEESSION_ID值用来标志本次PPP会话，以PADR包方式发送给客户机。以太头中的目的地址是客户机的MAC地址，PPPOE头中的CODE为0x65，SESSION_ID值必须为所生成的那个SESSION_ID，负载部分必须只包含一个Service-Name类型的TAG，表示该服务类型被AC接受，另外可以包含其他TAG。如果AC不接受PADR中的Server-Name，PADS中则包含一个Service-Name-Error类型的TAG,这时SESSION_ID设置为0。

3.3.5 PADT（PPPoE Active Discovery Terminate）

PPPOE主动发现停止包表示PPPOE会话过程的结束，AC和客户机都可以主动发出。以太头中的目的地址是对方的MAC地址，PPPOE头中的CODE为0xa7，SESSION_ID值必须为PPPOE会话过程的SESSION_ID，不需要TAG。

3.4 PPP会话阶段（PPPoES：PPPoE Session）

PPP会话的建立，需要两端的设备都发送LCP数据包来配置和测试数据通信链路。
用户主机与接入集中器根据在发现阶段所协商的PPP会话连接参数进行PPP会话。一旦PPPoE会话开始，PPP数据就可以以任何其他的PPP封装形式发送。所有的以太网帧都是单播的。PPPoE会话的SESSION-ID一定不能改变，并且必须是发现阶段分配的值。

在PPP会话阶段，PPP包被封装在PPPOE以太帧中，以太包目的地址都是单一的，以太协议为0x8864，PPPOE头的CODE必须为0，SESSION_ID必须一直为发现阶段协商出的SEESION_ID值，PPPOE的负载是整个PPP包，PPP包前是两字节的PPP协议ID值。
由于PPPOE头是6字节，PPP协议ID号两个字节，一共要占用8个字节，而以太网的MTU值为1500，所以上层PPP负载数据不能超过1492字节，所以PPP协商时协商的最大接收单元值不能超过1492字节，也就是相当于在PPPOE环境下的MTU是1492字节。

下面PPP部分参考如下链接博文
参考链接：pppoe抓包流程和拨号流程

3.4.1 LCP协商阶段（LCP：Link Control Protocol）

LCP的Request主机和AC都要给对方发送，LCP协商阶段完成最大传输单元（MTU），是否进行认证和采用何种认证方式（Authentication Type）的协商。
（1）LCP协议数据报文分类
链路配置报文：用来建立和配置一条链路，主要包括Configure-Request、Configure-Ack、Configure-Nak和Configure-Reject报文；
链路维护报文：用来管理和调试链路，主要包括Code-Reject、Protocol-Reject、Echo-Request、Echo-Reply和Discard-Request报文；
链路终止报文：用来终止一条链路，主要包括Terminate-Request和Terminate-Reply报文。
（2）LCP协商过程
LCP协商的过程如下：协商双方互相发送一个LCP Config-Request报文，确认收到的Config-Request报文中的协商选项，根据这些选项的支持与接受情况，做出适当的回应。若两端都回应了Config-ACK，则标志LCP链路建立成功，否则会继续发送Request报文，直到对端回应了ACK报文为止。

说明：
（1）Config-ACK：若完全支持对端的LCP选项，则回应Config-ACK报文，报文中必须完全协带对端Request报文中的选项。
（2）Config-NAK：若支持对端的协商选项，但不认可该项协商的内容，则回应Config-NAK报文，在Config-NAK的选项中填上自己期望的内容，如:对端MRU值为1500，而自己期望MRU值为1492，则在Config-NAK报文中埴上自己的期望值1492。
（3）Config-Reject：若不能支持对端的协商选项，则回应Config-Reject报文，报文中带上不能支持的选项，如Windows拨号器会协商CBCP（被叫回呼），而ME60不支持CBCP功能，则回将此选项拒绝掉。

3.4.2 认证阶段（PPP Authentication：PAP/CHAP）

1、 PAP（Password Authentication Protocol，口令认证协议）认证
PAP为两次握手协议，它通过用户名及口令来对用户进行验证。PAP验证过程如下：
当两端链路可相互传输数据时，被验证方发送本端的用户名及口令到验证方，验证方根据本端的用户表（或Radius服务器）查看是否有此用户，口令是否正确。如正确则会给对端发送Authenticate-ACK报文，通告对端已被允许进入下一阶段协商；否则发送NAK报文，通告对端验证失败。此时，并不会直接将链路关闭。只有当验证不过次数达到一定值（缺省为10）时，才会关闭链路。
PAP的特点是在网络上以明文的方式传递用户名及口令，如在传输过程中被截获，便有可能对网络安全造成极大的威胁。因此，它适用于对网络安全要求相对较低的环境。

2、 CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol，质询握手认证协议）认证
CHAP为三次握手协议。只在网络上传输用户名，并不传输用户口令，因此它的安全性要比PAP高。CHAP的验证过程为：
首先由验证方（Server）向被验证方（Client）发送一些随机产生的报文，并同时将本端的主机名附带上一起发送给被验证方。被验证方接到对端对本端的验证请求（Challenge）时，便根据此报文中验证方的主机名和本端的用户表查找用户口令字，如找到用户表中与验证方主机名相同的用户，便利用报文ID、此用户的密钥用Md5算法生成应答（Response），随后将应答和自己的主机名送回。验证方接到此应答后，用报文ID、本方保留的口令字（密钥）和随机报文用Md5算法得出结果，与被验证方应答比较，根据比较结果返回相应的结果（ACK or NAK）
（1）接受认证端发送Challenge
（2）申请认证端发验证请求报文
（3）接受认证端回应认证接受报文
经过以上三次报文交互后，CHAP认证完成。

3.4.3 NCP协商阶段（NCP：Network Control Protocol）

NCP有很多种，如IPCP、BCP、IPv6CP，最为常用的是IPCP（Internet Protocol Control Protocol）协议。NCP的主要功能是协商PPP报文的网络层参数，如IP地址，DNS Server IP地址，WINS Server IP地址等。PPPoE用户主要通过IPCP来获取访问网络的IP地址或IP地址段。
NCP流程与LCP流程类似，用户与ME设备之间互相发送NCP Config-Request报文并且互相回应NCP Config-Ack报文后，标志NCP己协商完，用户上线成功，可以正常访问网络了。
IPCP的协商过程是基于PPP状态机进行协商的。经过双方协商，通过配置请求、配置确认、配置否认等包文交换配置信息，最终由initial (或closed)状态变为Opened状态。IPCP状态变为Opened的条件必须是发送方和接收方都发送和接收过确认包文。
IPCP协商过程中，协商包文可包含多个选项，即参数。各个选项的拒绝或否认都不能影响IPCP的UP，IPCP可以无选项协商，无选项协商也同样能够UP。选项有IP Address、网关、掩码等，其中IP Address是最重要的一个选项，有些厂家的实现必须这个选项得到确认，大多数厂家的实现允许这个选项为空。
NCP的基本协商流程见下图：

用户和接入设备对IP服务阶段的一些要求进行多次协商，以决定双方都能够接收的约定。
如：IP业务阶段使用的IP压缩协议等。双方的协议是通过报文中包含的Option项进行协商的，每一个Option都是一个需要协商的问题。
最后双方都需要对方答复Configure_Ack的同意报文。

3.4.4 会话维持（Session Keep-alive）

设备主动发送Echo Request进行PPPoE心跳保活，若3次未得到服务器的响应，则设备主动释放地址。发LCP Echo Request 的时候，魔术字字段要和之前通信的Configure_Request使用的魔术字字段保持一致。
有些设备或终端不支持主动发送 Echo-Request 报文, 只能支持回应Echo-Reply报文。

3.5、PPP协议与PPPOE协议有什么不同？

（1）作用不同
1、PPP协议 用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案；
2、pppoe协议 实现出传统以太网不能提供的身份验证、加密以及压缩等功能，也可用于缆线调制解调器（cable modem）和数字用户线路（DSL）等以以太网协议向用户提供接入服务的协议体系。
（2）用途不同
1、PPP协议具有动态分配IP地址的能力，允许在连接时刻协商IP地址；支持多种网络协议，比如TCP/IP、NetBEUI、NWLINK等；用于多种类型的物理介质上，包括串口线、电话线、移动电话和光纤（例如SDH），PPP也用于Internet接入。