[Android][DevTips]DHCP流程与ARP相关简介

DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）通常被应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中地管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。

在Android系统中，通常由dnsmasq进程负责这部分工作；

通常情况下，DHCP交互包含四次握手：

流程示意图如下：

分步骤解释一下：

在STA与AP已经建立连接的情况下，STA作为客户端，会首先发出一个DHCPDISCOVER的广播，寻求局域网内可以提供IP地址分配的服务器（此处即为DHCP服务器）；
局域网内所有DHCP服务器（理论上同一局域网可以存在多个DHCP服务器）在收到DHCPDISCOVER后，选出自己认为可用的一个IP地址，以DHCPOFFER报文的形式发回给客户端；
客户端在收到DHCPOFFER报文后（若存在多个回执，则通常响应最早到达的一个），再次发出广播，向DHCP服务器确认IP地址（同时告知其他DHCP服务器中止其握手流程）；
目标DHCP服务器确认后，回执DHCPACK，告知客户端可以使用该IP地址；
解答几个疑问：

为什么需要四次握手，而不是两次即可？
因为局域网中可能存在多个DHCP服务器可以响应该报文；
为什么DHCPDISCOVER与DHCPREQUEST是以广播形式发送？
同上，为了尽可能从局域网内所有DHCP服务器中获取回执；
DHCP服务器如何选取“自己认为可用的IP地址”的？
以dnsmasq为例，是查表+ARP双重确认的（下面ARP章节会介绍）
DHCPREQUEST既然是广播，局域网内所有DHCP服务器是如何确认自己是不是目标客户端呢？
根据transaction ID确认；

ARP

上面提到，dnsmasq会根据查表+ARP双重确认，以DHCPOFFER报文发出的IP地址是可用的；

查表比较简单，自己分配了哪些IP地址，肯定内部是有维护的；

那么为什么还要使用ARP来确认，ARP是什么，接下来简单介绍下：

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议；

顾名思义，就是通过IP地址获取MAC地址的一个TCP/IP协议；

此处dnsmasq反向利用了这一特性：通过ARP，如果在局域网内获取不到MAC地址，那么就说明该IP地址没有任何人使用；

同样以上面那一次关联为例，过滤DHCP与ARP报文，结果如下：

结合dnsmasq代码可知，在确认发送DHCPOFFER报文时包含的IP地址之前，dnsmasq会花3s时间，尝试ping这个IP地址，而内核在ping该地址时，需要查找其具体MAC地址（详见__ipv4_neigh_lookup_noref()函数），从而发出了ARP报文；

int address_allocate(struct dhcp_context *context,
		     struct in_addr *addrp, unsigned char *hwaddr, int hw_len, 
		     struct dhcp_netid *netids, time_t now)   
{
  /* Find a free address: exclude anything in use and anything allocated to
     a particular hwaddr/clientid/hostname in our configuration.
     Try to return from contexts which match netids first. */

  struct in_addr start, addr;
  struct dhcp_context *c, *d;
  int i, pass;
  unsigned int j; 

  /* hash hwaddr */
  for (j = 0, i = 0; i < hw_len; i++)
    j += hwaddr[i] + (hwaddr[i] << 8) + (hwaddr[i] << 16);
  
  for (pass = 0; pass <= 1; pass++)
    for (c = context; c; c = c->current)
      if (c->flags & CONTEXT_STATIC)
	continue;
      else if (!match_netid(c->filter, netids, pass))
	continue;
      else
	{
	  /* pick a seed based on hwaddr then iterate until we find a free address. */
	  start.s_addr = addr.s_addr = 
	    htonl(ntohl(c->start.s_addr) + 
		  ((j + c->addr_epoch) % (1 + ntohl(c->end.s_addr) - ntohl(c->start.s_addr))));
	  
	  do {
	    /* eliminate addresses in use by the server. */
	    for (d = context; d; d = d->current)
	      if (addr.s_addr == d->router.s_addr)
		break;

	    /* Addresses which end in .255 and .0 are broken in Windows even when using 
	       supernetting. ie dhcp-range=192.168.0.1,192.168.1.254,255,255,254.0
	       then 192.168.0.255 is a valid IP address, but not for Windows as it's
	       in the class C range. See  KB281579. We therefore don't allocate these 
	       addresses to avoid hard-to-diagnose problems. Thanks Bill. */	    
	    if (!d &&
		!lease_find_by_addr(addr) && 
		!config_find_by_address(daemon->dhcp_conf, addr) &&
		(!IN_CLASSC(ntohl(addr.s_addr)) || 
		 ((ntohl(addr.s_addr) & 0xff) != 0xff && ((ntohl(addr.s_addr) & 0xff) != 0x0))))
	      {
		struct ping_result *r, *victim = NULL;
		int count, max = (int)(0.6 * (((float)PING_CACHE_TIME)/
					      ((float)PING_WAIT)));
		
		*addrp = addr;

		if (daemon->options & OPT_NO_PING)
		  return 1;
		
		/* check if we failed to ping addr sometime in the last
		   PING_CACHE_TIME seconds. If so, assume the same situation still exists.
		   This avoids problems when a stupid client bangs
		   on us repeatedly. As a final check, if we did more
		   than 60% of the possible ping checks in the last 
		   PING_CACHE_TIME, we are in high-load mode, so don't do any more. */
		for (count = 0, r = daemon->ping_results; r; r = r->next)
		  if (difftime(now, r->time) >  (float)PING_CACHE_TIME)
		    victim = r; /* old record */
		  else if (++count == max || r->addr.s_addr == addr.s_addr)
		    return 1;
		    
		if (icmp_ping(addr))
		  /* address in use: perturb address selection so that we are
		     less likely to try this address again. */
		  c->addr_epoch++;
		else
		  {
		    /* at this point victim may hold an expired record */
		    if (!victim)
		      {
			if ((victim = whine_malloc(sizeof(struct ping_result))))
			  {
			    victim->next = daemon->ping_results;
			    daemon->ping_results = victim;
			  }
		      }
		    
		    /* record that this address is OK for 30s 
		       without more ping checks */
		    if (victim)
		      {
			victim->addr = addr;
			victim->time = now;
		      }
		    return 1;
		  }
	      }

	    addr.s_addr = htonl(ntohl(addr.s_addr) + 1);
	    
	    if (addr.s_addr == htonl(ntohl(c->end.s_addr) + 1))
	      addr = c->start;
	    
	  } while (addr.s_addr != start.s_addr);
	}
  return 0;
}
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由于在3s内没有任何人响应ARP报文，ping操作也超时，因此dnsmasq认为该IP在局域网内无人使用，从而可以将其发送给客户端；