DHCP执行流程详解

本文大部分参考了：

《趣谈网络协议》

DHCP协议详解

DHCP简介

动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），简称DHCP。前身是BOOTP协议，是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，统一使用两个IANA分配的端口：67（服务器端），68（客户端）。DHCP通常被用于局域网环境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client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。

简单来说，它的主要作用就是：用于在内网中当一台新的主机加入的时候，动态的给新加入的内网机器分配IP地址等信息的协议。

另外，DHCP还提供帮助客户机预启动执行环境PXE（Pre-boot Execution Environment）的功能。

这里只是简单的记录一下DHCP分配IP的流程，PXE只是简单带过。

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DHCP作为PXE的功能：

网络管理员也就是DHCP其实不仅仅只有分配IP的功能，会具有一项比较重要的功能，就是帮助客户机自动安装操作系统（PXE）

在一些没有安装OS的空电脑中，可能就需要在系统启动的时候通过PXE去初始化OS。

现在一般电脑的网卡几乎都支持PXE启动， PXE client 就在网卡的 ROM （只读存储器）中，当计算机引导时，BIOS 把 PXE client 调入内存执行。
安装完成后，将提示重新引导计算机。这个时候，在重新引导的过程中将BIOS修改回从硬盘启动就可以了。这样就实现了只需要安装一次操作系统，后面电脑启动的时候都使用这个操作系统。

在BIOS设置页面，有一项PXE Boot to LAN，若设置为Enabled则表示计算机从网络启动，从PXE服务端下载配置文件和操作系统内核进行启动；若设置为Disabled则表示从本地启动，启动动BIOS后，会去寻找启动扇区，如果没有安装操作系统，就会找不到启动扇区，这个时候就启动不起来。

DHCP在PXE的作用主要是为PXE客户端提供PXE服务端的位置，之后PXE客户端就能够和服务端进行交互，去获得自己想要的文件等信息，完成初始化操作系统的作用。这里就不详细说了，下面是大致的流程图：

下面开始正式介绍DHCP分配IP的大致流程！！！

在DHCP协议中，DHCP Server就类似于网络管理员。它只需要配置一段共享的IP地址。之后每一台新接入的机器都通过DHCP协议，来到这个共享的IP地址里进行申请，等待成功申请到IP后就可以正常工作了。等待加入的主机使用完毕（相当于过期等情况）就可以还给DHCP Server供其它机器使用。

在介绍工作流程之前，先介绍一下IP地址分配方式和租约表。

地址分配方式有如下三种：

• 人工配置：由管理员对每台具体的计算机指定一个地址、或者通过相关的命令设置（ifconfig、ip addr）
• 自动配置：服务器为第一次连接网络的计算机分配一个永久地址，DHCP客户端第一次成功地从DHCP服务器端分配到一个IP地址之后，就永远使用这个地址
• 动态配置：在一定的期限内将地址租给计算机，客户端第一次从DHCP服务器分配到IP地址后，并非永久地使用该地址，每次使用完后，DHCP客户端就得释放这个IP地址，并且租期结束后客户必须续租或者停用该地址，而对于路由器，经常使用的地址分配方式是动态配置。

租约表：

• 静态租约表：对应一个静态租约存储文件，server运行时从文件中读取静态租约表。（存放分配的静态IP）
• 动态租约表：对应一个周期存储文件，server周期性将租约表存进该文件，在程序开始时将会读取上次存放的租约表。（租约表记录了当前所有分配的租约，包括静态链接的）。（存放分配的动态的IP）
• DHCP服务器是一直处在被动接受请求的状态，当有客户端请求时，服务器会读取获得客户端当前所在的状态以及客户端的信息，并在静态租约表和动态租约表中进行检索找到相应的表项，再根据客户端的状态执行不同的回复。
• 当收到客户端的首次请求时，DHCP服务器先查找静态租约表；若存在请求的表项，返回这个客户的静态IP地址；否则，从IP地址池中选择可用的IP分配给客户，并添加信息到动态数据库中。此外，服务器将会周期性的刷新租约表写入文件存档，在这个过程中会顺便对动态租约表进行租期检查。

DHCP大致执行流程

DHCP工作流程大致分为以下四步：

• 新主机向DHCP Server申请IP地址（DHCP DIscover）
• DHCP Server将分配好的IP发送给新主机（DHCP Offer）
• 新主机发送DHCP Request广播数据包，告知所有DHCP服务器自己要接受哪台服务器提供的IP等信息（DHCP Request）
• 目标DHCP Server广播DHCP ACK消息确认包，通知该网络中的所有主机，申请的IP地址即可正常使用（DHCP ACK）

新主机向DHCP Server申请IP地址

当一台主机新加入一个网络时，只知道自己的MAC地址。它需要告诉网络中的其它主机自己的到来，并去申请对应的IP等信息，这个步骤常称为DHCP Discover。

新主机会使用IP地址0.0.0.0发送一个广播包，提供自己的MAC地址，并告诉所有主机自己是新来的，现在需要IP地址，请求DHCP Server分配IP！

这个广播包封装了UDP，UDP封装了BOOTP。其实DHCP是BOOTP的增强版，但是如果你去抓包的话，很可能看到的名称还是BOOTP协议。格式如下：

DHCP Server将分配好的IP发送给新主机

DHCP Server相当于IP的管理员，在新主机发送请求后，能够立刻接受到并分配一个IP（会从那些还没有租出去的地址中，选择最前面的空置IP）给它，这个过程称为DHCP Offer。同时，DHCP Server为此客户保留为它提供的IP地址，从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。

DHCP Server如何确定新主机？

DHCP Server就是通过MAC地址的唯一性去确定这个发送请求的主机是一个新主机。

DHCP Offer的格式就像这样，里面有给新人分配的地址。

上图可以发现，DHCP Server也是发送的广播包。这是因为虽然新主机的MAC确认，但是无法确认对应的IP地址，所以只能通过广播包让新主机接受。

DHCP Server除了分配IP，还会分配子网掩码、网关和IPD地址租用期等信息。

新主机发送DHCP Request广播数据包，告知其他DHCP Server

由于，第一个步骤是广播数据包，当这个网络中有多个DHCP Server的时候，它就可能申请到很多的IP地址。这时，就必须按照一定的规则进行选择，并通知其他DHCP Server。

新主机一般会选择第一个DHCP Offer，即最先到达的。然后会向网络发送一个DHCP Request广播数据包，其中包含==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，并告诉所有DHCP Server它将接受哪一台服务器提供的IP地址，这时候其他的DHCP Server会撤销它们提供的IP地址，以便提供给下一个IP租用请求者。

此时，由于还没有得到DHCP Server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。在BOOTP里面，接受某个DHCP Server的分配的IP。

目标DHCP Server广播DHCP ACK消息确认包

当DHCP Server接收到客户机的DHCP request之后，会广播返回给客户机一个DHCP ACK消息包，表明已经接受客户机的选择，并将这一IP地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入该广播包，发给客户机。

• 客户端在接收到DHCP ack广播后，会向网络发送三个针对此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。此时，在DHCP服务器管理控制台中，会显示此IP地址为BAD_ADDRESS。
• 如果网络上没有其它主机使用此IP地址，则客户机的TCP/IP使用租约中提供的IP地址完成初始化，从而可以和其他网络中的主机进行通讯。

并且这时候，网络中的其他主机也能够通过这个数据包知道新主机的相关信息。

重新登陆后，新加入的主机就不用再重头执行，而是使用之前申请到的IP直接发送DHCP Request。DHCP Server接受到后，就会进行判断当前这个IP是否还可用（没有分配给其他主机），如果可用，就会返回ACK报文。如果不可用，那么回返回DHCP NAK报文段，告知新加入的主机需要重新执行DHCP Discover以及后面的流程。

DHCP的报文种类

其实上面的四个步骤，都对应的四种报文类型。

也可以发现，上面其实都是正常工作下的流程，所以肯定还存在不正常的流程。例如，分配的IP地址冲突等等。那么肯定也存在相应的报文来进行处理。

DHCP总共有八种报文类型：

IP地址的收回与续租

IP地址的回收：DHCP申请的地址一般都是有期限的，即分配的IP地址到达期限后就会回收。

IP地址的续租：在DHCP协议中，客户机在租期到达50%时，会直接向为其提供IP地址的DHCP Server发送DHCP request消息包。客户机收到服务器回应的DHCP ACK消息包后，会根据包中所提供的新的租期以及其他已经更新的TCP/IP参数，更新自己的配置。这样，IP租用更新就完成了。

如果在租期过去50%的时候没有更新，则客户端将在租期过去87.5%的时候再次向为其提供IP地址的DHCP联系。如果还不成功，到租约的100%时候，客户端必须放弃这个IP地址，重新申请。如果此时无DHCP可用，客户端会根据之前获取的子网信息随机获取相关的一个地址，并且每隔5分钟再进行尝试。