DHCP 協議：讓網絡配置變得簡單的神奇協議
更新時間：2024-06-04 08:46:49作者：佚名
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大家好，這是cxuan計算機網絡系列文章的第11篇，在這篇文章中，我們來聊聊DHCP協議，在聊之前，先想象一個場景。
你現在站在地鐵上或者坐在辦公室里，你的手機或者電腦都有一個IP地址，如果你手動輸入這個IP地址，你需要寫下面這些東西……
在電腦上配置這些還好，一眨眼就能搞定。如果用手機，就需要點IP地址，輸入IP地址，點子網掩碼，輸入子網掩碼，點默認路由，輸入路由，點DNS服務器，輸入DNS服務器……這樣好麻煩啊。剛配置完留學之路，老板就叫你去開會，剛剛配置的地址就浪費了。你換環境，又需要重新配置IP地址，于是又重復上述步驟。此時，會議結束了，你手忙腳亂……
我們還為您節省了配置錯誤的可能性。
上面的描述最讓人惱火的就是需要手動配置IP地址。哇塞，為啥不能設置自動配置IP地址呢？誰說不能設置的？沒錯！那就是使用DHCP，也就是我們下面要講的。
了解 DHCP
DHCP 是動態主機配置協議 ( Host ) 的縮寫，DHCP 可以自動設置 IP 地址，并統一管理 IP 地址分配。這意味著，無論你是在開會還是在辦公桌前工作，都可以省去手動配置 IP 地址的繁瑣步驟。同時，DHCP 也大大降低了手動分配 IP 地址導致出錯的幾率。
DHCP與IP關系密切，是IP網絡上使用的協議。如果要使用DHCP提供服務，整個通信鏈路上都需要有DHCP服務器。連接到網絡上的設備使用DHCP協議向DHCP服務器申請IP地址，DHCP服務器會為設備分配一個唯一的IP地址。
除了 IP 地址，DHCP 服務器還會告訴您子網掩碼、默認路由和 DNS 服務器。
DHCP 服務器
現在，您不需要手動配置 IP 地址，也不再需要管理 IP 地址，管理工作已轉移到 DHCP 服務器，該服務器負責維護 IP 地址池并在啟用 DHCP 的客戶端在網絡啟動時將地址出租給它們。
由于 IP 地址是動態的（臨時分配）而不是靜態的（永久分配），因此不再使用的 IP 地址會自動返回到 IP 地址池以供重新分配。
那么誰維護 DHCP 服務器？
網絡管理員負責架設DHCP服務器，并以租約的形式向啟用DHCP的客戶端提供地址配置。啊，既然不用我管理了，那就舒服多了~
OK，現在你可以舒舒服服地開發了。你用 192.168.1.4/x/x 這個接口發出請求，請求可以順利進行。但是過了一段時間，你發現 192.168.1.4/x/x 這個接口的請求不起作用了。為什么？然后你查看自己的 IP 地址，發現 IP 地址已經變成了 192.168.1.7。怎么我正在使用的時候 IP 地址就變了？DHCP 就是個垃圾，一個破玩意兒！！@#￥%￥%……￥%
其實這也是DHCP服務器的一個功能，它通常會給每一個客戶端分配一個唯一的動態IP地址，當客戶端對該IP地址的租約到期后，該地址就會改變。
它唯一的意義在于如果你手動設置了一個靜態IP，而DHCP服務器卻分配了一個動態IP，并且這個動態IP和靜態IP相同的話，那么必然會出現其中一個客戶端無法上網的情況。
我也遇到過這種情況，我虛擬機配置的靜態IP是192.168.1.8，手機也是用DHCP配置的192.168.1.8的IP地址，這時候我的虛擬機連不上網絡，連上網絡后就連不上虛擬機了，檢查了一下，發現是IP地址沖突了...
DHCP服務器雖然可以提供IP地址，但是它如何知道哪些IP地址是空閑的，哪些IP地址正在使用呢？
其實這些信息都是在數據庫中配置的，我們來看看DHCP服務器維護了哪些信息。
這些參數主要包括主機名（Host name）、DHCP客戶端（DHCP）、域名（name）、IP地址（IP）、網關（）、廣播地址（）、默認路由（）。
OK，現在你知道了DHCP服務器需要保存哪些信息，看完上面的內容，你應該也知道DHCP有哪些組件了。現在我們來說說DHCP中都有哪些組件，這些組件一個都不能少。
DHCP 的組件
使用 DHCP 時，了解所有組件非常重要。下面我列出了一些 DHCP 組件及其功能。
現在您了解了 DHCP 的組件，我將向您介紹 DHCP 的工作原理。
DHCP 的工作原理
在講DHCP工作機制之前我們先來了解一下DHCP報文。
DHCP 消息
DHCP 消息有以下幾種類型：
DHCP的工作機制比較簡單，無非就是客戶端向服務器租用一個IP，服務器把這個IP提供給客戶端的過程。嗯，你很聰明，大致就是這樣，不過還是有些細節需要注意，我通過兩張圖跟大家說一下。
DHCP獲取IP地址的過程主要分為兩個階段。
第一階段是DHCP查找包階段
搜索包階段主要分為兩個步驟：第一步是DHCP 包，第二步是DHCP offer包。
DHCP客戶端在通訊鏈路上發起廣播，查看鏈路上是否有可以提供DHCP數據包的服務器。然后通訊鏈路上的每個節點都會檢查自己是否可以提供DHCP數據包。此時DHCP服務器表示自己可以提供DHCP數據包，然后DHCP就會沿著通訊鏈路將DHCP數據包發回給DHCP客戶端。
第二階段是DHCP請求階段。
DHCP請求數據包也分為兩步：第一步是DHCP請求數據包，第二步是DHCP確認數據包。
DHCP客戶端在通訊鏈路上發起DHCP請求包，請求包主要告訴DHCP服務器自己想使用上一步提供的網絡設置，DHCP服務器隨后向DHCP客戶端發送確認包，表示允許DHCP客戶端使用第二步發送的網絡設置。
至此，DHCP網絡設置完成，接下來就可以在通信鏈路上與主機之間進行TCP/IP通信了。
當不再需要該 IP 地址時，可以發送 DHCP 釋放數據包（DHCP ）來釋放它。另外，DHCP 設置中通常有一個租約時間設置。DHCP 客戶端可以在這個時間限制內發送 DHCP 請求數據包，通知自己想要延長這個期限。
DHCP 狀態機
上面我們知道DHCP會發送幾個請求包，我們知道動作總是伴隨著狀態的變化，DHCP也是一樣，當DHCP發送/接收各種包的時候，它的狀態也在隨之變化，DHCP協議可以在客戶端和服務器上運行狀態機，狀態決定了協議接下來要處理的消息類型。
狀態之間的轉換（箭頭）是由于接收和發送消息或計時器到期而發生的。以下是 DHCP 的狀態輪換圖。
客戶端一開始沒有任何消息，處于INIT狀態。然后客戶端在通信鏈路上發起廣播DHCP。
在選擇狀態下，客戶端收集消息，直到確定要使用的地址和服務器。
一旦 DHCP 客戶端做出選擇，它就會發送一條消息并進入 DHCP 狀態，在該狀態下，它很可能會收到不需要的 ACK 響應。如果在此狀態下未找到合適的地址，客戶端將發送并恢復到 INIT 狀態，但這種情況不太可能發生。
處于該狀態的客戶端有可能接受發送的消息，獲得超時時間T1和T2，然后進入Bound狀態，在該狀態下該地址可以使用，直到過期。
當第一個定時器T1到期后，客戶端進入續約狀態，再次嘗試建立租約時間，如果收到新的ACK消息，則表示續約成功，然后返回到Bound狀態。
如果沒有收到 ACK，T2 最終會過期并進入該狀態。進入此狀態的客戶端會重新嘗試獲取地址。如果最終租約過期，客戶端必須放棄租用的地址，并且如果沒有其他地址或網絡連接可用，客戶端會斷開連接。
DHCP 沖突
現在我們來討論一下DHCP沖突的問題。DHCP沖突其實就是IP重復，當一個子網內有兩臺或多臺主機配置了相同的IP地址時，就會發生IP沖突，這種情況的后果可能是兩臺沖突的主機混在一起，一臺主機可能會收到另一臺主機的數據包。
那么造成這種情況的原因是什么呢？
造成這種情況的原因有很多。以下是兩個可能的原因：
當檢測到IP沖突時，系統通常會和Mac系統一樣彈出IP沖突彈窗。
DHCP 中繼代理
大部分常規家庭網絡（富人家庭除外）都只有一個以太網，也就是一個局域網段，一臺 DHCP 服務器完全可以滿足局域網內客戶端的需求。但在更復雜的網絡中，比如企業或者學校，一臺 DHCP 服務器顯然是不夠的。因此這種情況下往往需要對 DHCP 進行統一管理，具體實現方式可以是通過 DHCP 中繼代理來轉發 DHCP 流量，如下圖所示。
如上圖所示，有A、B兩個網段，DHCP客戶端與DHCP服務器不在同一網段，因此我們在通訊鏈路上設置中繼代理，DHCP客戶端通過訪問中繼代理來訪問DHCP服務器。
采用這種方法，我們不再需要在每個網段上都架設一臺DHCP服務器，而只需要在每個網段上架設一個中繼代理，它可以設置DHCP服務器的IP地址，這樣就可以將每個網段的IP地址分配范圍都注冊到DHCP服務器上。
DHCP客戶端向DHCP中繼代理發送DHCP請求報文，DHCP中繼代理收到廣播報文后，以單播形式發送給DHCP服務器，DHCP服務器收到報文后，返回應答給DHCP中繼代理，DHCP中繼代理再將報文發送給DHCP客戶端。
DHCP 身份驗證
我們總是假設一切都會順利，害怕出現問題。這可能意味著我永遠只是一名初級程序員。上面我們討論的 DHCP 服務器都是合理合法的，但互聯網是一把雙刃劍，并不是每個人都是合法公民。如果假設了一個未經授權的 DHCP 服務器怎么辦？很可能會影響網絡。
為了避免這些問題，在[]中指定了一種對DHCP消息進行身份驗證的方法。它定義了一個DHCP選項，，如下所示
認證選項的主要目的是確定 DHCP 消息是否來自授權發送者。
身份驗證代碼屬性值為 90，() 給出選項中的字節數（不包括代碼和長度字段的字節數）。如果 () 和 () 屬性設置為 0，則身份驗證信息字段將保存一個簡單的共享配置令牌。只要客戶端和服務器上的配置令牌匹配，就會接受該消息。
上面我們講的只是其中一種，還有一種更安全的方法，就是所謂的延遲認證。如果協議和算法都設置為1，就表示使用延遲認證。在這種情況下，客戶端的消息或消息中包含認證選項，服務器用其中或消息中包含的認證信息進行響應。這個認證信息包括消息認證碼，它提供發送者的認證和消息的完整性驗證。RDM 代表中繼檢測。中繼檢測包括單項增量值，只要經過代理中繼，這個中繼檢測的值就會+1。
雖然 DHCP 身份驗證可以確保安全性，但由于以下兩個原因，它尚未得到廣泛應用：
總結
這篇文章我跟大家討論一個計算機網絡中很容易被忽略的概念。為什么容易被忽略呢？因為我們在開發的時候通常不會關心IP地址的配置，也就是在搭建環境的時候才會用到。但是如果你想系統地學習計算機網絡default是什么意思default是什么意思，DHCP的重要性是不能忽視的。DHCP包括工作機制、DHCP消息信息、DHCP狀態機、DHCP認證等，這些都是你需要了解和掌握的。
超過
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另外，cxuan整理了6個PDF，在公眾號回復cxuan即可收到作者全部PDF。
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