DHCP协议

什么是DHCP？
DHCP 是 Dynamic Host Configuration Protocol 之缩写﹐它的前身是 BOOTP。BOOTP 原本是用于无磁碟主机连接的网路上面的﹕网路主机使用 BOOT ROM 而不是磁碟起动并连接上网路﹐BOOTP 则可以自动地为那些主机设定 TCP/IP 环境。但BOOTP 有一个缺点：您在设定前须事先获得客户端的硬体位址，而且，与 IP 的对应是静态的。换而言之，BOOTP 非常缺乏 "动态性" ，若在有限的 IP资源环境中，BOOTP 的一对一对应会造成非常可观的浪费。

DHCP 可以说是 BOOTP的增强版本﹐它分为两个部份﹕一个是伺服器端﹐而另一个是客户端。所有的 IP 网路设定资料都由 DHCP 伺服器集中管理﹐并负责处理客户端的 DHCP 要求﹔而客户端则会使用从伺服器分配下来的IP环境资料。比较起BOOTP ，DHCP 透过 "租约" 的概念，有效且动态的分配客户端的 TCP/IP 设定，而且，作为兼容考量，DHCP 也完全照顾了BOOTP Client 的需求。
DHCP 的分配形式
首先﹐必须至少有一台 DHCP 工作在网路上面﹐它会监听网路的 DHCP 请求﹐并与客户端搓商 TCP/IP 的设定环境。它提供两种 IP 定位方式﹕
Automatic Allocation
自动分配﹐其情形是﹕一旦 DHCP 客户端第一次成功的从 DHCP 伺服器端租用到 IP 位址之后﹐就永远使用这个位址。
Dynamic Allocation
动态分配﹐当 DHCP 第一次从 HDCP 伺服器端租用到 IP 位址之后﹐并非永久的使用该位址﹐只要租约到期﹐客户端就得释放(release)这个 IP 位址﹐以给其它工作站使用。当然﹐客户端可以比其它主机更优先的延续(renew)租约﹐或是租用其它的 IP 位址。


动态分配显然比自动分配更加灵活﹐尤其是当您的实际 IP 位址不足的时候﹐例如﹕您是一家 ISP ﹐只能提供 200 个IP位址用来给拨接客户﹐但并不意味着您的客户最多只能有 200 个。因为要知道﹐您的客户们不可能全部同一时间上网的﹐除了他们各自的行为习惯的不同﹐也有可能是电话线路的限制。这样﹐您就可以将这 200 个位址﹐轮流的租用给拨接上来的客户使用了。这也是为什么当您查看 IP 位址的时候﹐会因每次拨接而不同的原因了(除非您申请的是一个固定 IP ﹐通常的 ISP都可以满足这样的要求﹐这或许要另外收费)。当然﹐ISP 不一定使用 DHCP 来分配位址﹐但这个概念和使用 IP Pool 的原理是一样的。
DHCP 除了能动态的设定 IP 位址之外﹐还可以将一些IP 保留下来给一些特殊用途的机器使用﹐它可以按照硬体位址来固定的分配 IP 位址﹐这样可以给您更大的设计空间。同时﹐DHCP 还可以帮客户端指定router﹑netmask﹑DNS Server ﹑WINS Server﹑等等项目﹐您在客户端上面﹐除了将 DHCP选项打勾之外﹐几乎无需做任何的 IP 环境设定。

DHCP 的工作原理
视乎客户端是否第一次登录网路﹐DHCP 的工作形式会有所不同。
第一次登录的时候﹕
1. 寻找 Server。当 DHCP 客户端第一次登录网路的时候﹐也就是客户发现本机上没有任何 IP 资料设定﹐它会向网路发出一个 DHCPDISCOVER 封包。因为客户端还不知道自己属于哪一个网路﹐所以封包的来源位址会为 0.0.0.0 ﹐而目的位址则为 255.255.255.255 ﹐然后再附上 Dhcpdiscover 的信息﹐向网路进行广播。
在 Windows 的预设情形下，Dhcpdiscover 的等待时间预设为 1 秒﹐也就是当客户端将第一个 Dhcpdiscover 封包送出去之后﹐在 1 秒之内没有得到回应的话﹐就会进行第二次Dhcpdiscover 广播。若一直得不到回应的情况下﹐客户端一共会有四次 Dhcpdiscover 广播(包括第一次在内)﹐除了第一次会等待 1 秒之外﹐其余三次的等待时间分别是 9﹑13﹑16秒。如果都没有得到 DHCP伺服器的回应﹐客户端则会显示错误信息﹐宣告 Dhcpdiscover 的失败。之后﹐基于使用者的选择﹐系统会继续在 5 分钟之后再重复一次 Dhcpdiscover 的过程。
2. 提供 IP 租用位址。当 DHCP 伺服器监听到客户端发出的 Dhcpdiscover 广播后﹐它会从那些还没有租出的位址范围内﹐选择最前面的的空置 IP ，连同其它 TCP/IP 设定，回应给客户端一个 DHCPOFFER 封包。
由于客户端在开始的时候还没有 IP位址﹐所以在其 Dhcpdiscover 封包内会带有其MAC 位址信息﹐并且有一个 XID 编号来辨别该封包﹐DHCP 伺服器回应的 Dhcpoffer 封包则会根据这些资料传递给要求租约的客户。根据伺服器端的设定﹐Dhcpoffer 封包会包含一个租约期限的信息。
3. 接受 IP 租约。如果客户端收到网路上多台 DHCP伺服器的回应﹐只会挑选其中一个Dhcpoffer 而已(通常是最先抵达的那个)﹐并且会向网路发送一个Dhcprequest广播封包﹐告诉所有 DHCP 伺服器它将指定接受哪一台伺服器提供的 IP 位址。
同时﹐客户端还会向网路发送一个 ARP 封包﹐查询网路上面有没有其它机器使用该 IP位址﹔如果发现该 IP 已经被占用﹐客户端则会送出一个 DHCPDECLINE 封包给 DHCP 伺服器﹐拒绝接受其 Dhcpoffer﹐并重新发送 Dhcpdiscover 信息。
事实上﹐并不是所有 DHCP 客户端都会无条件接受 DHCP 伺服器的 offer ﹐尤其这些主机安装有其它 TCP/IP 相关的客户软体。客户端也可以用 Dhcprequest 向伺服器提出 DHCP选择﹐而这些选择会以不同的号码填写在DHCP Option Field 里面﹕

换一句话说﹐在 DHCP伺服器上面的设定﹐未必是客户端全都接受﹐客户端可以保留自己的一些 TCP/IP 设定。而主动权永远在客户端这边。
4.租约确认。当 DHCP伺服器接收到客户端的 Dhcprequest 之后﹐会向客户端发出一个DHCPACK 回应﹐以确认 IP租约的正式生效﹐也就结束了一个完整的 DHCP 工作过程。
如上的工作流程如下图：

DHCP 发放流程
第一次登录之后﹕
一旦 DHCP 客户端成功地从伺服器哪里取得 DHCP 租约之后﹐除非其租约已经失效并且IP 位址也重新设定回 0.0.0.0 ﹐否则就无需再发送 Dhcpdiscover 信息了﹐而会直接使用已经租用到的 IP 位址向之前之 DHCP 伺服器发出 Dhcprequest 信息﹐DHCP 伺服器会尽量让客户端使用原来的 IP 位址﹐如果没问题的话﹐直接回应 Dhcpack 来确认则可。如果该位址已经失效或已经被其它机器使用了﹐伺服器则会回应一个 DHCPNACK 封包给客户端﹐要求其从新执行 Dhcpdiscover。

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