DHCP 主机动态配置协议详解

一、DHCP介绍

1. 简要介绍

DHCP 协议在我们日常生活中应该是最常见而又经常被忽略的一种协议了。当你走进一间屋子，手机自动连上了 WiFi，当你离开了屋子，又自动断开了 WiFi…… 这一系列的幕后都是DHCP协议在默默工作。

DHCP 协议(Dynamic Host Configuration Protocol)是一个基于UDP协议的局域网的网络协议。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。

该协议的最大作用是动态的为加入网络的设备分配 IP 地址，在该协议出现前，IP 地址的分配基于静态模式，你把设备的 mac 地址手动在路由器设置，然后路由器自动生成一个 IP 与你的 mac 地址绑定起来。这种应用在有线网络时代可以适用，但在无线时代，每时每刻可能有不同的设备加入或离开网络，因此原有静态匹配 IP 的做法不再适合。

DHCP 协议的诞生就是为了迎合在无线情况下，网络内部连接设备不断变化的情况。它包含两部分，一是分配 IP 地址，二是支持客户端请求，服务器应答，使得两者之间有效交换配置信息。

DHCP 最重要功能显然是动态分配 IP 地址，当我们的设备连接上网络之后里面获得一个可用的 IP 地址，就得感谢该协议的执行，现在我们大多数设备都依靠 DHCP 来从路由器动态获得 IP

2. DHCP 的 IP 租借

DHCP 协议能够维护一个动态的 IP 池，根据设备加入和离开网络回收或分发可用 IP，它甚至能实现多个设备共享相同 IP。DHCP 协议的实现基于 UDP，需要 IP 的设备和具备分配 IP 能力的设备根据 DHCP 协议的方式封装数据包，然后通过 UDP 协议发送给对方。有了该协议后，我们上网时不再麻烦的去配置各种信息，设备和路由器之间相互通信后，自动配置好相应信息，我们只要等着配置完毕然后上网就行。

DHCP 支持三种地址分配方式，一种是手动分配，由管理员手动将指定 IP 地址分发给特定设备；第二种是自动分配，它从当前可用的 IP 地址池中选出一个，永久的分发给某一台特定设备；第三种是动态分配，它从 IP 地址池中选出一个分发给某台设备一段时间，时间到了后收回，或者设备离开网络后通知路由器主动收回，由此可见，第二种和第三种区别不大

使用动态分配方式时，管理员指定一系列可以分配的 IP，然后 DHCP 服务器会自动维护哪些 IP 已经分配，哪些 IP 可以使用。同时服务器指定分配的 IP 使用时长，一旦超时后，客户必须主动向服务器请求续租，例如上图就有对应按钮，或者请求重新从服务器获得一个新的 IP 地址，这个请求应答过程将是我们研究和实现的重点。

DHCP 协议动态分配 IP 的好处显而易见，首先是自动化，省却了管理员耗时耗力的维护，其次是集中管理，从服务器就可以得知IP的使用情况，由此有效防止 IP 冲突。而且还能实现地址的共享和重用，如果一台设备不活跃，例如关机或离开网络，协议可以及时收回 IP，分发给在网络中的其他设备。

在 DHCP 协议管理下，所有设备只能“租借” IP 而不能“拥有” IP。有租借就必须有管理，DHCP 协议的主要内容就在这里。租借时常根据设备的使用情况而定，作为服务器的设备租借时间必须很长，而对于手持设备而言，租借时间可以很短。在很多情况下，管理员为了防止 IP 被长时间无效占用，例如某台设备计划租借一个月，但它运行一天就关机了，那么这个 IP 就会在余下 29 天浪费掉，因此管理员会强制设备租借短时期，时期到了后再跟服务器请求延长租借期。

管理员一般把 IP 池划分为若干类别，不同类别对应不同租期，然后根据接入设备的类型赋予不同类别的IP。一旦租期抵达一半时，设备就开始于服务器协商以便延长租期。

下面是IP租借的流程图：

上图描述了设备向 DHCP 服务器租借 IP 8 天流程，其中在第 4 天要与服务器协商续租。租借 IP 的设备需要保持两个时钟，时钟 T1 在租借期过了一半时触发，此时设备向服务器请求续租；如果续租不成功，第二个时钟在租期 87.5% 时触发，设备向另一个 DHCP 服务器发起租借 IP 的请求。我们后面用代码实现协议时，主要通过构造数据包完成上面所述流程。

DHCP 协议时典型的服务器客户端应用模式。需要 IP 的设备是客户端，分发 IP 的设备是服务器，两者通过互发消息完成一项任务。他们之间的交互可以由下图表达：

类似于 TCP 的握手，但是又比 TCP 简单不少。

二、DHCP主机动态配置协议解析和数据包格式说明

1. 查看DHCP数据包

打开网络封包分析软件 WireShack，输入过滤条件 bootp.option.type == 53 (或者 dhcp.option.type == 53 也可)，在命令行中输入 ipconfig/renew，表示续租 DHCP 服务器，我们获取这样的数据包：

点开一个数据包，看到：

我们看到 DHCP 协议数据包的组成格式为 IP数据包->UDP数据包->Boostrap Protocoal数据包(也就是DHCP数据包)

【注】Boostrap 是DHCP协议的前身，它叫主机静态配置协议。DHCP其实是它的扩展，将原来静态配置的过程动态化，于是配置起来更加灵活方便，只不过DHCP数据包的依然以Boostrap协议数据包为基础。

我们点开 DHCP 看看具体内容：

通过观察，我们大概可以知道 DHCP 数据包大概有哪些字段，要了解这些字段的作用，我们还得充分了解协议的具体交互流程。DHCP 协议以客户端<->服务器的方式进行交互，整个过程由客户端主导，服务器被动回应，因此掌握客户端的运行状态，我们就可以掌握 DHCP 的协议交互流程。

2. DHCP流程

DHCP 在执行时维护了一个状态机，该状态机由八个状态组成。

客户端在运行时维护一个内部状态机，其运行过程如下：

1. INIT 状态。客户端创建一个DHCPDISCOVER消息在局域网内广播，查询可用的 DHCP 服务器，然后进入SELECTING状态。
2. SELECTING 状态。局域网内的DHCP收到广播消息后，发送DHCPOFFER消息，客户端会收到一个或多个 DHCP 服务器的回应，然后它从众多回应中选取一个服务器，向它发送DHCPREQUEST消息，然后进入REQUESTING状态。
3. REQUESTING 状态。客户端向服务器发送 DHCPREQUEST 消息中包含了它对服务器的数据请求，例如可用IP地址以及各类配置参数，请求发送出去后它等待服务器回应。服务器会返回DHCPACK 消息，里面包含了客户端想要的可用IP以及配置参数等信息。
   收到消息后，客户端检测服务器返回的 IP 地址是否可用，可用的话进入使用状态并像上一节描述的那样设置两个超时时钟。如果客户端发现 IP 地址不可用，它向服务器发送 DHCPDECLINE消息，然后转入状态1。
   如果客户端从服务器收到的是DHCPNAK消息，它表示服务器拒绝向客户端提供服务，因此客户端重新进入状态1.
4. INIT-REBOOT 状态。如果客户端已经租借到IP，它重启后进入该状态。此时它会向服务器发送 DHCPREQUEST 消息，重新确定它对IP的使用权，然后客户端进入 REBOOTING 状态，等待服务器反应。
5. REBOOTING 状态。此时客户正在等待服务器返回确认消息，此时会有 3 种情况。一是客户端收到服务器发来的 DHCPACK 消息，表明可以继续使用它当前 IP,于是客户端进入 BOUND 状态；二是，客户端得到 DHCPACK 回应，然后发现它原来使用的 IP 在自己关机或重启时，被其他设备抢夺了，于是他想服务器发送 DHCPDECLINE 消息，然后进入状态 1；三是收到服务器发来的 DHCPNAK 消息，这表明服务器告诉客户端 IP 不能再继续使用，于是客户端进入状态 1.
6. BOUND 状态。此时客户端得到可用IP地址，并进入使用状态。此时它启动两个时钟，T1 和 T2。当 T1 超时时，它进入状态 RENEWING。如果客户端主动要放弃使用当前 IP，它会向服务器发送 DHCPRELEASE 消息，然后进入状态 1.
7. RENEWING 状态。此时客户端希望续租当前 IP，于是他想客户端发送 DHCPREQUEST 消息，然后等待服务器确认。此时客户端要面临三种情况，一是服务器返回 DHCPACK 消息，它可以继续使用当前 IP；二是收到 DHCPNAK 消息，服务器拒绝客户端继续租用当前 IP；三是客户端的 T2 时钟超时，客户端进入 REBINGDING 状态。
8. REBIDING 状态。此时客户端无法继续续租原有 IP，于是它持续向局域网广播 DHCPREQUEST 消息，直到有服务器响应它为止。此时客户端又面临三种情况。一是有服务器向客户端返回 DHCPACK 消息，于是客户端可以使用新分配的 IP；二是服务器返回 DHCPNAK 消息，这表明服务器希望客户端重新启动租借流程，于是客户端进入 INIT 状态；第三是，在收到回应前，客户端当前租用的 IP 到期，它重新进入 INIT 状态。

为了简单起见，我们将以客户端的方式编写代码，上面的流程状态可以使用下图统一描述：

3. 字段详解

首先完成第一步，客户端向局域网广播消息，然后收到服务器应答。下面是 DHCP 消息的具体格式：

上面的是前面抓包时对应的 DHCP 部分，依次解析各个字段：

• op 字段 1 字节，它表明消息类型，请求消息使用数值1，回应消息使用数值2
• HType 1 字节，它表明消息发送所使用的网络类型，由于我们默认使用互联网，因此它的值固定为 1
• HLen 字段 1 字节，它表明设备硬件地址的长度，由于我们默认使用 mac 地址，因此该字段固定为 6
• Hops 字段 1 字节，它表明数据包可以跨越几个不同网络，该字段的作用我们在前面 traceroute 程序中了解过，由于我们希望限制消息在当前局域网内流通，因此设置为 0
• XID 字段 4 字节。它与 ICMP 消息中的 session 作用一样，用来标志一次对话过程
• Secs 字段 2 字节。它用来表明客户端发出请求后等待的时间，一般该字段不常使用，我们将它固定为 0
• Flags 字段 2 字节，取值 0 或 1，如果设置为 1，客户端要求服务器以广播的方式发送回应消息，因为此时客户端可能还没有 IP 地址
• CIAddr 字段 4 字节，它存放客户端当前 IP 地址，如果客户端当前有 IP，而且进入状态 BOUND,RENEWING 状态，其他情况下统一设置为 0
• YIAddr 字段 4 字节，这是服务器返回给客户端使用的IP
• SIAddr 字段 4 字节，服务器 IP 地址，它有点特殊，这个 IP 是不一定是当前交互的服务器 IP，而是设备下次启动时去获取IP地址的服务器IP
• GIAddr 字段 4 字节，网关 IP，当 DHCP 服务器不在本地局域网时，设备将通过该 IP 将数据包转发给处于另一个局域网的服务器，通常情况下使用不到
• CHAddr 字段 16 字节，设备的硬件地址。由于我们默认设备使用 mac 地址，因此只使用到 6 个字节，其余 10 个字节用 0 填充
• SName 字段 64 个字节，该字段用做 DHCP 服务器的字符串名称
• File 字段 128 字节，该字段用于在设备和服务器间交换特定信息
• Options 字段，可变长。该字段用于设备和服务器间交换多种配置信息

接下来我们看看 Options 字段，由于所有信息的交互都存储在该字段，因此我们需搞清楚它的结构。在该字段开始前是4个字节的 魔术字，固定为 99.130.83.99(十六进制：63 82 53 63)，然后才是一系列 Option 数据结构，Option 数据结构组成如下。

每个 Option 由三字段组成，第一字段是 Code,用来表明当前 Option 类型，它有两个特殊值，一个是 0，它表示当前 Option 只有这一个字节，另一个特殊值是 255，它表示后续不再含有 Option结构体；第二字段是 len，用来标志数据段的长度；第三字段是 Data，用来存储数据。

由于 Option 结构体用于客户端与服务器进行数据交换，因此它的种类相当繁杂。