DHCP 工作原理

1.什么是DHCP

DHCP，动态主机配置协议，前身是BOOTP协议，是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，常用的2个端口：67(DHCP server),68(DHCP client)。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，DHCP就是一个不需要账号密码登录的、自动给内网机器分配IP地址等信息的协议。
DHCP采用的是C/S结构,客户端是提交DHCP申请和接受并受用DHCP服务器分的IP地址
服务器:1.建立和管理IP地址池 2.接受并处理DHCP客户端和DHCP请求。

2.DHCP协议中的报文

• DHCP DISCOVER ：客户端开始DHCP过程发送的包，是DHCP协议的开始
• DHCP OFFER ：服务器接收到DHCP DISCOVER之后做出的响应，它包括了给予客户端的IP（yiaddr）、客户端的MAC地址、租约过期时间、服务器的识别符以及其他信息
• DHCP REQUEST ：客户端对于服务器发出的DHCP OFFER所做出的响应。在续约租期的时候同样会使用。
• DHCP ACK ：服务器在接收到客户端发来的DHCP REQUEST之后发出的成功确认的报文。在建立连接的时候，客户端在接收到这个报文之后才会确认分配给它的IP和其他信息可以被允许使用。
• DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的报文，表示服务器拒绝了客户端的请求。
• DHCP RELEASE ：一般出现在客户端关机、下线等状况。这个报文将会使DHCP服务器释放发出此报文的客户端的IP地址
• DHCP INFORM ：客户端发出的向服务器请求一些信息的报文
• 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。

DHCP工作流程:

1.当DHCP客户机第一次登录网络的时候,该客户机没有任何IP数据设定,它将向网络发送一个DHCP Discover封包。
由于客户端不知道自己属于哪一个网络,所有封包的来源地址为0.0.0.0,目的地址为255.255.255.255,向网络进行广播。
2.一般DHCP Discover的等待时间为1s,当客户机将第一个DHCP Discover封包发送出去之后,在1s之内没有得到响应的话,就会再次广播DHCP Discover,客户端最多4次广播,时间分别为1s,9s,13s,16s.
3.如果没有得到DHCP服务器的响应,客户端会显示错误信息, 宣告DHCP Discover发送失败,之后系统会在5分钟之后在发送DHCP Discover。
4.当服务器接受到DHCP Discover,会回复一个DHCP OFFer广播包,提供一个IP地址,该广播包的源IP地址为DHCP服务器的IP地址,目标IP地址为255.255.255.255,包中包含提供给客户机的IP地址,子网掩码及租期等信息。
5.如果发现IP地址被占用的话,客户机会发送一个DHCP DECLINE封包给DHCP服务器,拒绝接受其DHCP OFFER并重新发送DHCP Discover。
6.然后客户机向网络发送一个DHCP REQUEST广播封包, 告诉所有DHCP服务器它将接受哪一台服务器提供的IP地址。同时客户端会向网络发送一个ARP封包,确定网络上是否由其他机器使用该IP地址。
7.当DHCP服务器收到客户端的DHCP REQUEST封包之后,会向客户端发送一个DHCPACK响应,确定IP租约生效
8.客户端收到DHCPACK之后,会使用该广播包中的信息来配置自己的TCP/IP,从而租用过程结束,客户机可以在网络中通讯。

3.DHCP 协议包的组成

• Xid :随机生成的一段字符串，两个数据包拥有相同的xid说明他们属于同一次会话
• Ciaddr :客户端会在发送请求时将自己的ip地址放在此处
• Yiaddr :服务器会将想要分配给客户端的ip地址放在此处
• Siaddr :一般来说是服务器的ip地址.但是注意！根据openwrt源码给出的注释，当报文的源地址、siaddr、option­>server_id字段不一致（有经过跨子网转发）时，通常认为option­>srever_id字段为真正的服务器ip，siaddr有可能是多次路由跳转中的某一个路由的ip （下图中wireshark抓包中也有标明siaddr为nextserver ip address）
• Chaddr :客户端的mac地址
• Giaddr :如果需要跨子网进行DHCP地址发放，则在此处填入经过的路由器的ip地址
  Sname :服务器主域名
• Options :可以自由添加的部分，用于存放客户端向服务器请求信息和服务器的应答信息

DHCP客户端

1.什么是DHCP 客户端

DHCP客户端一般来说是局域网中独立的PC主机。

DHCP客户端发出的DHCP DISCOVER包是DHCP协议的开始。

延续租期、发现、释放IP地址等大多数DHCP中的行为都是由DHCP客户端主动发起。

2.DHCP 自动状态机

DHCP获得ip地址的4步骤：discover­>offer­>request­>ack(nak)

DHCP刷新租期的步骤：request­>ack(nak)

DHCP释放ip的步骤：release

wnr2000v5 1.0.0.8的代码中没有发现rebooting、init­reboot状态。所以DHCP client的状态一般从init开始，完整的状态机如下图（红色代表客户端的状态跳转）：

DHCP服务器

1.什么是服务器

DHCP SERVER指的是服务器端，在路由器上体现的就是给LAN端动态分配IP的功能。DHCP SERVER负责接收客户端的DHCP请求，管理LAN端所有的IP网络设定资料，相比于BOOTP，DHCP通过“租约”来实现动态分配IP的功能，实现IP的时分复用，从而解决IP资源短缺的问题。其地址分配方式有三种，分别是人工配置（由管理员对每台具体的计算机指定一个地址），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），动态配置（在一定的期限内将地址租给计算机，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。

2.两个租约表

• 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。
• 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）。

3.基本逻辑

原则上DHCP SERVER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。

执行回复动作：

DHCPOFFER：
静态租用：首先匹配MAC地址，看是否能在静态租约表中找到对应的项，若能找到就把IP分配给他。静态表中的IP不能被其他客户使用。
动态租用：
1.server试图分配给client上次分配过的IP，在这之前检查这个IP是否正在使用。
2.discover中含有request ip 时，检查该IP是否在地址池范围，是否正在使用，是否到期，是否是静态IP，网络上是否已经存在。
3.discover不含request ip，从地址池上寻找一个最小的可用IP分配。
DHCPACK: 根据是否含有request ip和server ip识别客户端现在init_reboot,selecting,renewing/rebinding中的哪个状态，并根据以下规则执行DHCPACK回复：
1.若client处于selecting状态，验证request ip和server ip是否同服务器中的匹配。
2.若client处于init_reboot状态，验证request ip是否符合租约记录。
3.若client处于renewing/rebinding状态，验证client ip address是否符合租约记录。
DHNAK:
1.请求的IP是静态IP，但是MAC地址无法与其对应。
2.上面DHCPACK中验证失败。　　
服务器还可能会收到其他包:

• DHCPDECLINE:server会把租约表中相关client硬件地址置空，并保存这个地址一段时间。
• DHCPRELEASE:清空租期回收IP。
• DHCPINFORM:回复DHCPACK，数据包含有关于server的信息。

其他过程解析

DHCP工作过程详解：http://tonyguo.blog.51cto.com/379574/163475/