[ 网络协议篇 ] 一篇文章让你掌握神秘的 DHCP
本篇文章稍微有点长，但相信你一定不会后悔读这篇文章
DHCP的内容还没有讲完，如果觉得总结的还可以，记得阅读下一篇哦
关于DHCP面试的总结后续也会分享，记得关注哦
下一篇文章将写道有关DHCP的 网络攻击和防范机制
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由于篇幅问题，关于DHCP存在的安全问题和解决方法等内容留到下一篇文章叙述
一、DHCP介绍
1. 概念：
是一种用于集中对用户IP地址进行动态管理和配置的技术。
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)是一个局域网的网络协议。
DHCP采用客户端/服务器通信模式，由客户端（DHCP Client）向服务器（DHCP Server）提出配置申请，服务器返回为客户端分配的配置信息（包括IP地址、缺省网关、DNS Server、WINS Server等参数），可以实现IP地址动态分配，以及其他网络参数的集中配置管理。
2. 用途：
1. 给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址
2. 给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。
3. 原理
DHCP四个工作步骤：
1. 客户端通过广播发送DHCP Disccover报文寻找服务器端
2. 服务器通过单播发送DHCP offer报文向客户提供IP地址等信息
3. 客户端通过广播发送DHCP Request报文告知服务端本地选择使用哪个IP
4. 服务器通过单播发送DHCP Ack报文告知客户端IP地址是合法可用的
4. 报文类型：
5. DHCP报文格式
1.DHCP协议报文封装格式
链路层头、IP头、UDP头和DHCP报文。
dhcp主要的数据都封装在dhcp报文中。
2. DHCP协议报文格式
Op消息操作代码：1byte，既可以是引导请求（BOOTREQUEST）也可以是引导答复（BOOTREPLY），1为请求报文；2为响应报文。具体的报文类型在option字段中标识。
Htype：硬件地址类型：1byte，表示client硬件地址的类型，1表示以太网类型。
Hlen：硬件地址长度：1byte，以太网的硬件地址长度为6bytes。
Xid：处理ID：1byte，由client端产生的随机数，用于匹配请求和应答报文，就是匹配应答报文是对哪个请求报文做出应答。
Secs：从获取到IP地址或者续约过程开始到现在所消耗的时间：2bytes，客户端进入IP地址申请进程的时间或者更新IP地址进程的时间；由客户端软件根据情况设定。目前没有使用，固定为0。
Flags：标记：2bytes，16bit中只使用了最高位比特（即最左边的比特），这个个比特是广播响应标识位，用来标识DHCP服务器发出的响应报文是广播还是单播，0是单播，1是广播。其余的比特位保留不用，都为0.
Ciaddr：客户机IP地址：4bytes，可以是client自己的IP地址，也可以是server分配给client的IP地址。
Yiaddr：你的（客户机）IP地址：4bytes，是server分配给client的IP地址。
Siaddr：在bootstrap中使用的下一台服务器的IP地址：4bytes，是client端获取IP地址等信息的server端的地址。
Giaddr：用于导入的接替代理IP地址：4bytes，是client发出请求报文后经过的第一个中继的IP地址。
Chaddr：客户机硬件：16bytes，是client端的硬件地址，在client发出报文时会把自己网卡的硬件地址写进这个字段。
Sname：任意服务器主机名称：空终止符，64bytes，是client端获取IP地址等信息的服务器名称。
File：DHCP发现协议中的引导文件名、空终止符、属名或者空：DHCP供应协议中的受限目录路径名
Options：可选参数字段：这个字段包含了终端的初始配置信息和网络配置信息，包括报文类型，有效租期，DNS服务器的IP地址等配置信息。这个字段的结构采用“CLV”结构。
6. DHCP角色：
1. DHCP客户端：
通过DHCP协议请求获取IP地址等网络参数的设备。
例如，IP电话、PC、手机、无盘工作站等。
2. DHCP服务器：
负责为DHCP客户端分配网络参数的设备。
3.（可选）DHCP中继：
负责转发DHCP服务器和DHCP客户端之间的DHCP报文，
协助DHCP服务器向DHCP客户端动态分配网络参数的设备。
7. 端口：
DHCP报文是基于UDP协议传输的。
DHCP统一使用两个IANA分配的端口作为BOOTP：服务器端使用67，客户端使用68。
DHCP客户端向DHCP服务器发送报文时采用67端口号，DHCP服务器向DHCP客户端发送报文时采用68端口号。
二、DHCP原理描述
DHCP客户端广播发送请求报文（即目的IP地址为255.255.255.255），
位于同一网段内的DHCP服务器能够接收请求报文。
如果DHCP客户端和DHCP服务器不在同一个网段，DHCP服务器无法接收来自客户端的请求报文，此时，需要通过DHCP中继来转发DHCP报文。
不同于传统的IP报文转发，DHCP中继接收到DHCP请求或应答报文后，会重新修改报文格式并生成一个新的DHCP报文再进行转发。
在企业网络中，如果需要规划较多网段，且网段中的终端都需要通过DHCP自动获取IP地址等网络参数时，可以部署DHCP中继。这样，不同网段的终端可以共用一个DHCP服务器，节省了服务器资源，方便统一管理。
1. DHCP服务器给首次接入网络工作原理：
1. 无中继场景：
1. 发现阶段——DHCP客户端发现DHCP服务器的阶段。
DHCP客户端发送DHCP DISCOVER报文来发现DHCP服务器。
广播方式（不知道DHCP服务器的IP地址）（目的IP地址为255.255.255.255，源IP为0.0.0.0）
同一网段内所有DHCP服务器或中继都能收到此报文。
DHCP DISCOVER报文中携带了客户端的MAC地址（chaddr/clint hardware address字段）
需要请求的参数列表选项：
广播标志位（flags字段，客户端请求服务器以单播0或广播1形式发送响应报文）等信息。
2. 提供阶段——DHCP服务器提供网络配置信息的阶段。
所有同网段DHCP服务器都会接收到DHCP DISCOVER报文，DHCP服务器上可能会部署多个地址池，服务器通过地址池来管理可供分配的IP地址。
收到DHCP DISCOVER报文后，从地址池中选择一个可用的IP地址
然后通过DHCP OFFER报文发送给DHCP客户端。
DHCP OFFER报文里面携带了希望分配的IP地址及其租期等配置参数。
DHCP服务器的地址池中会指定IP地址的租期
DHCP DISCOVER报文中携带了期望租期，服务器会将客户端期望租期与其指定的租期进行比较，时间较短的租期分配给客户端。
选择IP地址的优先顺序：
1.DHCP服务器上已配置的与客户端MAC地址静态绑定的IP地址。
2.客户端发送的DHCP DISCOVER报文中请求IP地址选项指定的地址。
3.DHCP服务器上记录的曾经分配给客户端的IP地址。
4.按照IP地址从大到小的顺序查询，选择最先找到的可供分配的IP地址。
（如果未找到可供分配的IP地址，则依次查询超过租期、处于冲突状态的IP地址）
可能出现情况：
1. 找到可用的IP地址：则进行分配；
2. 没有找到可用IP：发送DHCP NAK报文作为应答，通知DHCP客户端无法分配IP地址。
DHCP客户端需要重新发送DHCP DISCOVER报文来申请IP地址。
为了防止分配出去的IP地址跟网络中其他客户端的IP地址冲突，
DHCP服务器在发送DHCP OFFER报文前可以对分配的IP地址进行地址冲突探测。
如果在指定的时间内没有收到应答报文，表示网络中没有客户端使用这个IP地址，可以分配给客户端；
如果指定时间内收到应答报文，表示网络中已经存在使用此IP地址的客户端，则把此地址列为冲突地址，然后等待重新接收到DHCP DISCOVER报文后按照前面介绍的选择IP地址的优先顺序重新选择可用的IP地址。
注意：
此阶段DHCP服务器分配给客户端的IP地址不一定是最终确定使用的IP地址，因为DHCP OFFER报文发送给客户端等待16秒后如果没有收到客户端的响应，此地址就可以继续分配给其他客户端。
通过下面的选择阶段和确认阶段后才能最终确定客户端可以使用的IP地址。
3. 请求阶段——DHCP客户端选择IP地址的阶段。（客户端选择接受）
因为DHCP DISCOVER报文是广播发送的，所以如果同一网段内存在多个DHCP服务器
收到DHCP DISCOVER报文的服务器都会回应DHCP OFFER报文。
如果有多个DHCP服务器向DHCP客户端回应DHCP OFFER报文，
则DHCP客户端一般只接收第一个收到的DHCP OFFER报文，
然后以广播方式发送DHCP REQUEST报文，该报文中包含客户端想选择的DHCP服务器标识符和分配给客户端IP地址
广播方式发送DHCP REQUEST报文原因：
以广播方式发送DHCP REQUEST报文，是为了通知所有的DHCP服务器，它将选择某个DHCP服务器提供的IP地址，
其他DHCP服务器可以重新将曾经分配给客户端的IP地址分配给其他客户端。
4. 确认阶段——DHCP服务器确认所分配IP地址的阶段（服务器确认）
当DHCP服务器收到DHCP客户端发送的DHCP REQUEST报文后，
DHCP服务器回应DHCP ACK报文，
表示DHCP REQUEST报文中请求的IP地址，分配给客户端使用。
冲突检测：免费ARP（后续有ARP详解）
DHCP客户端收到DHCP ACK报文，会广播发送免费ARP（FARP）报文，
探测本网段是否有其他终端使用服务器分配的IP地址，
如果在指定时间内没有收到回应，表示客户端可以使用此地址。
如果收到了回应，说明有其他终端使用了此地址，
客户端会向服务器发送DHCP DECLINE报文，
并重新向服务器请求IP地址，同时，服务器会将此地址列为冲突地址。
当服务器没有空闲地址可分配时，再选择冲突地址进行分配，尽量减少分配出去的地址冲突。
当DHCP服务器收到DHCP客户端发送的DHCP REQUEST报文后，如果DHCP服务器由于某些原因（如协商出错或者由于发送REQUEST过慢（16s）导致服务器已经把此地址分配给其他客户端）无法分配DHCP REQUEST报文中填充的IP地址，
则发送DHCP NAK报文作为应答，通知DHCP客户端无法分配此IP地址。
DHCP客户端需要重新发送DHCP DISCOVER报文来申请新的IP地址。
2. 有中继场景：
发现阶段
中继跳数最大16
客户端以广播发送DHCP DISCOVER报文，同一网段内所有DHCP服务器或中继都能收到。
检查DHCP报文中的hops字段，如果大于16，则丢弃DHCP报文；
否则，将hops字段加1（表明经过一次DHCP中继），并继续下面的操作。
hops字段：
Hops： DHCP报文经过的DHCP中继的数目，该字段由客户端或服务器设置为0，
每经过一个DHCP中继时，该字段加1。
hops字段的作用是限制DHCP报文所经过的DHCP中继的数目。
目前，设备最多支持DHCP客户端与服务器之间有存在16个中继。
检查DHCP报文中的giaddr（gateway ip address）字段。
如果是0，将giaddr字段设置为接收DHCP DISCOVER报文的接口IP地址。
如果不是0，则不修改该字段，继续下面的操作。
giaddr字段：
giaddr字段：标识客户端网关的IP地址。
如果服务器和客户端不在同一个网段且中间存在多个DHCP中继，
当客户端发出DHCP请求时，第一个DHCP中继会把自己的IP地址填入此字段，
后面的DHCP中继不修改此字段内容，
DHCP服务器会根据此字段来判断出客户端所在的网段地址，从而为客户端分配该网段的IP地址。
将DHCP报文的目的IP地址改为DHCP服务器或下一跳中继的IP地址，
源地址改为中继连接客户端的接口地址，
通过路由转发将DHCP报文单播发送到DHCP服务器或下一跳中继。
如果DHCP客户端与DHCP服务器之间存在多个DHCP中继，后面的中继接收到DHCP DISCOVER报文的处理流程同前面所述。
提供阶段
服务器接收到DHCP DISCOVER报文后，
选择与报文中giaddr字段为同一网段的地址池，并为客户端分配IP地址；
然后向giaddr字段标识的DHCP中继单播发送DHCP OFFER报文。
检查报文中的giaddr字段，
如果不是接口的地址，则丢弃该报文；否则，继续下面的操作。
DHCP中继检查报文的广播标志位。如果广播标志位为1，则将DHCP OFFER报文广播发送给DHCP客户端；否则将DHCP OFFER报文单播发送给DHCP客户端。
选择阶段
确认阶段
选择阶段和确认阶段的过程同无中继场景。
3. DHCP客户端重用曾经使用的地址的工作原理：
DHCP客户端非首次接入网络时，可以重用曾经使用过的地址。
选择阶段：
客户端广播发送包含前一次分配的IP地址的DHCP REQUEST报文
确认阶段：
服务器收到DHCP REQUEST报文后，根据DHCP REQUEST报文中携带的MAC地址来查找有没有相应的租约记录，如果有则返回DHCP ACK报文，通知DHCP客户端可以继续使用这个IP地址。否则，保持沉默，等待客户端重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
4. DHCP客户端更新租期的工作原理：
1. DHCP服务器采用动态分配机制给客户端分配IP地址时，分配出去的IP地址有租期限制。客户端向服务器申请地址时可以携带期望租期，服务器在分配租期时把客户端期望租期和地址池中租期配置比较，分配其中一个较短的租期给客户端。
2. 租期时间到后服务器会收回该IP地址，收回的IP地址可以继续分配给其他客户端使用。
这种机制可以提高IP地址的利用率，避免客户端下线后IP地址继续被占用。
如果DHCP客户端希望继续使用该地址，需要更新IP地址的租期（如延长IP地址租期）。
1. 当租期达到50%（T1）时
当租期达到50%（T1）时，DHCP客户端会自动以单播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。
如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功（即租期从0开始计算）；如果收到DHCP NAK报文，则重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
2. 当租期达到87.5%（T2）时
当租期达到87.5%（T2）时，如果仍未收到DHCP服务器的应答，DHCP客户端会自动以广播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功（即租期从0开始计算）；
如果收到DHCP NAK报文，则重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
3. 租期时间到时都没有收到服务器的回应
如果租期时间到时都没有收到服务器的回应，客户端停止使用此IP地址，重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
客户端在租期时间到之前，用户不想使用分配的IP地址（例如客户端网络位置需要变更），会触发DHCP客户端向DHCP服务器发送DHCP RELEASE报文，通知DHCP服务器释放IP地址的租期。
DHCP服务器会保留这个DHCP客户端的配置信息，将IP地址列为曾经分配过的IP地址中，以便后续重新分配给该客户端或其他客户端。
客户端可以通过发送DHCP INFORM报文向服务器请求更新配置信息。
三、DHCP的优缺点
自动分配IP地址，大大缩减了人力资源浪费，减轻网络管理员的工作量，加强了管理员对网络设备的管理控制。
优点：
1.提供安全而可靠的配置。
DHCP避免了由于需要手动在每个计算机上键入值而引起的配置错误。
DHCP有助于防止由于在网络上配置新的计算机时重用以前指派的IP地址而引起的地址冲突。
2.可以减少配置管理。
使用DHCP服务器可以大大降低用于配置和重新配置网上计算机的时间。
可以配置服务器以便在指派地址租约时提供其他配置值的全部范围。
这些值是使用DHCP选项指派的。
3.DHCP租约续订过程还有助于确保客户端计算机配置需要经常更新的情况
(如使用移动或便携式计算机频繁更改位置的用户),
通过客户端计算机直接与DHCP服务器通讯可以高效、自动地进行这些更改。
4.IP地址采用租用方式,需要时向DHCP服务器申请IP,用完后释放,使IP地址可以再利用。
DHCP服务器数据库是一个动态数据库,向客户端提供租约或释放租约时会自动更新,
降低了管理IP地址的难度,所有DHCP客户的设置和变更都由客户端和服务器自动完成,不需人工干涉。
缺点:
1.DHCP不能发现网络上非DHCP客户端已经在使用的IP地址。
2.DHCP服务器对于用户的接入没有限制,任何一台电脑只要连接到网络上,就能够通过DHCP服务器获得正确的网络配置,从而访问网络。
这样使得非法的用户很容易进入内部网络,带来安全隐患。
3.当网络上存在多个DHCP服务器时,尤其是存在私设的冒充DHCP服务器时,
一个DHCP服务器不能查出已被其它服务器租出去的IP地址,将会给网络造成混乱。
4.DHCP服务器不能跨路由器与客户端通信，除非路由器允许BOOTP转发。
四、DHCP配置方法
1. 接口配置办法
1、dhcp enable 在系统视图开启DHCP功能
2、int g0/0/1 进入接口
3、dhcp select interface DHCP选择视图模式
4、dhcp server dns-list 2.2.2.2 8.8.8.8 国际通用DNS方式
5、dhcp server lease day 5 设置期限为5天，默认是3天
6、arp broadcast enable 路由需要配置ARP启动才能进行广播
2. 全局配置办法
1、dhcp enable 在系统视图开启DHCP功能
2、int g0/0/1 进入接口
3、dhcp select global DHCP选择全局模式（在网关下设置这个命令）
4、quit 回到系统视图（全局模式）下进行之后配置
5、ip pool x x 进行命名如DHCP15
6、network 15.0.0.0 mask 24 网络网段及子网
7、gateway-list 15.0.0.1 网关是15.0.0.1
8、dns-list 2.2.2.2 8.8.8.8 国际通用标准（具体的要求还得看生产环境）
最后，可以简单看张图，对着图回想中间的细节