DHCP協議圖文詳解
一:DHCP工作原理
1.什麼是DHCP協議
DHCP，動態主機配置協議，前身是BOOTP協議，是一個區域網的網路協議，使用UDP協議工作，常用的2個埠：67(DHCP server),68(DHCP client)。DHCP通常被用於區域網環境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client動態的獲得IP地址、Gateway地址、DNS伺服器地址等資訊，並能夠提升地址的使用率。簡單來說，DHCP就是一個不需要賬號密碼登入的、自動給內網機器分配IP地址等資訊的協議。
2.DHCP協議中的報文
DHCP報文共有一下幾種：
DHCP DISCOVER :客戶端開始DHCP過程傳送的包，是DHCP協議的開始
DHCP OFFER ：伺服器接收到DHCP DISCOVER之後做出的響應，它包括了給予客戶端的IP（yiaddr）、客戶端的MAC地址、租約過期時間、伺服器的識別符以及其他資訊
DHCP REQUEST ：客戶端對於伺服器發出的DHCP OFFER所做出的響應。在續約租期的時候同樣會使用。
DHCP ACK ：伺服器在接收到客戶端發來的DHCP REQUEST之後發出的成功確認的報文。在建立連線的時候，客戶端在接收到這個報文之後才會確認分配給它的IP和其他資訊可以被允許使用。
DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的報文，表示伺服器拒絕了客戶端的請求。
DHCP RELEASE ：一般出現在客戶端關機、下線等狀況。這個報文將會使DHCP伺服器釋放發出此報文的客戶端的IP地址
DHCP INFORM ：客戶端發出的向伺服器請求一些資訊的報文
DHCP DECLINE :當客戶端發現伺服器分配的IP地址無法使用（如IP地址衝突時），將發出此報文，通知伺服器禁止
使用該IP地址。
DHCP 的 工作流程：
3.DHCP協議包的組成
Xid :隨機生成的一段字串，兩個資料包擁有相同的xid說明他們屬於同一次會話
Ciaddr :客戶端會在傳送請求時將自己的ip地址放在此處
Yiaddr :伺服器會將想要分配給客戶端的ip地址放在此處
Siaddr :一般來說是伺服器的ip地址.但是注意！根據openwrt原始碼給出的註釋，當報文的源地址、siaddr、option>server_id欄位不一致（有經過跨子網轉發）時，通常認為option>srever_id欄位為真正的伺服器ip，siaddr有可能是多次路由跳轉中的某一個路由的ip （下圖中wireshark抓包中也有標明siaddr為nextserver ip address）
Chaddr :客戶端的mac地址
Giaddr :如果需要跨子網進行DHCP地址發放，則在此處填入經過的路由器的ip地址
Sname :伺服器主域名
Options :可以自由新增的部分，用於存放客戶端向伺服器請求資訊和伺服器的應答資訊
二:DHCP客戶端
1.什麼是DHCP客戶端
DHCP客戶端一般來說是區域網中獨立的PC主機。
DHCP客戶端發出的DHCP DISCOVER包是DHCP協議的開始。
延續租期、發現、釋放IP地址等大多數DHCP中的行為都是由DHCP客戶端主動發起。
2.DHCP自動狀態機
DHCP獲得ip地址的4步驟：discover>offer>request>ack(nak)
DHCP重新整理租期的步驟：request>ack(nak)
DHCP釋放ip的步驟：release
wnr2000v5 1.0.0.8的程式碼中沒有發現rebooting、initreboot狀態。所以DHCP client的狀態一般從init開始，完整的狀態機如下圖（紅色代表客戶端的狀態跳轉）：
三:DHCP服務端
1.什麼是DHCP SERVER
DHCP SERVER指的是伺服器端，在路由器上體現的就是給LAN端動態分配IP的功能。DHCP SERVER負責接收客戶端的DHCP請求，管理LAN端所有的IP網路設定資料，相比於BOOTP，DHCP通過“租約”來實現動態分配IP的功能，實現IP的時分複用，從而解決IP資源短缺的問題。其地址分配方式有三種，分別是人工配置（由管理員對每臺具體的計算機指定一個地址），自動配置（伺服器為第一次連線網路的計算機分配一個永久地址），動態配置（在一定的期限內將地址租給計算機，租期結束後客戶必須續租或者停用該地址），而對於路由器，經常使用的地址分配方式是動態配置。
2.兩個租約表
靜態租約表：對應一個靜態租約儲存檔案，server執行時從檔案中讀取靜態租約表。
動態租約表：對應一個週期儲存檔案，server週期性將租約表存進該檔案，在程式開始時將會讀取上次存放的租約表。（租約表記錄了當前所有分配的租約，包括靜態連結的）。
3.基本原理
原則上DHCP SERVER是一直處在被動接受請求的狀態，當有客戶端請求時，伺服器會讀取獲得客戶端當前所在的狀態以及客戶端的資訊，並在靜態租約表和動態租約表中進行檢索找到相應的表項，再根據客戶端的狀態執行不同的回覆。當收到客戶端的首次請求時，DHCP伺服器先查詢靜態租約表；若存在請求的表項，返回這個客戶的靜態IP地址；否則，從IP地址池中選擇可用的IP分配給客戶，並新增資訊到動態資料庫中。此外，伺服器將會週期性的重新整理租約表寫入檔案存檔，在這個過程中會順便對動態租約表進行租期檢查。
執行回覆動作：
DHCPOFFER：
靜態租用：首先匹配MAC地址，看是否能在靜態租約表中找到對應的項，若能找到就把IP分配給他。靜態表中的IP不能被其他客戶使用。
動態租用：
a.server試圖分配給client上次分配過的IP，在這之前檢查這個IP是否正在使用。
b.discover中含有request ip 時，檢查該IP是否在地址池範圍，是否正在使用，是否到期，是否是靜態IP，網路上是否已經存在。
c.discover不含request ip，從地址池上尋找一個最小的可用IP分配。
DHCPACK:根據是否含有request ip和server ip識別客戶端現在init_reboot,selecting,renewing/rebinding中的哪個狀態，並根據以下規則執行DHCPACK回覆：
a.若client處於selecting狀態，驗證request ip和server ip是否同伺服器中的匹配。
b.若client處於init_reboot狀態，驗證request ip是否符合租約記錄。
c.若client處於renewing/rebinding狀態，驗證client ip address是否符合租約記錄。
DHNAK :
a.請求的IP是靜態IP，但是MAC地址無法與其對應。
b.上面DHCPACK中驗證失敗。
伺服器還可能會收到其他包:
DHCPDECLINE:server會把租約表中相關client硬體地址置空，並儲存這個地址一段時間。
DHCPRELEASE:清空租期回收IP。
DHCPINFORM:回覆DHCPACK，資料包含有關於server的資訊。
四：解析DHCP的工作方式
1.當一臺機器新加入一個網路的時候，它只知道自己的MAC地址，如何獲取IP呢？ 這一步我們稱為DHCP Discover. 新機器使用IP地址0.0.0.0傳送一個廣播包，目的IP為255.255.255.255. 廣播包封裝了UDP，UDP封裝了BOOTP。 廣播報的內容像這樣：
2.如果一個網路管理員在網路裡面配置了DHCP Server的話，他就相當於這些IP的管理員，他立刻知道來了一個“新人”，會租給它一個IP地址，這個過程我們稱為DHCP Offer. DHCP Offer的格式如下：
3.如果有多個DHCP Server，這臺新機器會收到多個IP地址，它會選擇其中一個DHCP Offer，一般是最先到達的那個，並且會向網路傳送一個DHCP Request廣播資料包，包中包含客戶端的MAC地址，接受的租約中的IP地址，提供此租約的DHCP服務地址等。
4.DHCP Server接收到客戶機的DHCP request之後，會廣播返回給客戶機一個DHCPACK 訊息包，表明已接收客戶機的選擇。
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