计算机网络：应用层 —— 动态主机配置协议 DHCP

news2025/2/21 17:19:51

文章目录

- 什么是 DHCP？
- DHCP 的产生背景
- DHCP 的工作过程
- - 工作流程
  - 地址分配机制
- DHCP 中继代理
- 总结

什么是 DHCP？

动态主机配置协议（DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络管理协议，用于自动分配IP地址及其他网络配置参数（如子网掩码、默认网关、DNS服务器地址等）给网络中的设备。它基于客户端/服务器架构，通过集中管理IP地址池，简化了网络设备的配置过程。

DHCP 协议允许网络管理员通过中央服务器来动态分配和管理 IP 地址以及其他网络配置参数，从而减少了网络管理的复杂性。

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DHCP 的产生背景

在 DHCP 出现之前，网络管理员需要手动为每台设备配置 IP 地址，这种方式不仅繁琐，还容易导致 IP 地址冲突和资源浪费。随着网络规模的扩大和设备数量的增加，这种手动配置的方式已无法满足需求。因此，IETF 设计了 DHCP 协议，以实现动态、自动化的 IP 地址分配。

DHCP 的工作过程

DHCP 使用客户/服务器方式：

在 DHCP 服务器上运行 DHCP 服务器进程，也可简称为 DHCP 服务器
在用户主机上运行 DHCP 客户进程，也可简称为 DHCP 客户。

DHCP 是 TCP/IP 协议体系应用层中的协议，它使用运输层的 UDP 所提供的服务。DHCP报文在运输层会被封装成为 UDP用户数据报，DHCP 服务器使用的UDP端口是67，DHCP 客户使用的UDP端口是68，这两个 UDP 端口都是熟知端口。

封装有 DHCP 报文的 UDP 用户数据报，在网络层会被封装成 IP 数据报，然后再根据所使用的网络接口，封装成相应的数据链路层的帧进行发送，如封装为以太网帧。

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工作流程

DHCP 的工作流程主要包括以下四个阶段：

发现阶段（DHCP Discover）：客户端以广播方式发送 DHCP Discover 报文，寻找可用的 DHCP 服务器。
提供阶段（DHCP Offer）：服务器收到请求后，从地址池中选择一个可用的IP地址，并向客户端发送 DHCP Offer 报文。
请求阶段（DHCP Request）：客户端收到 Offer 后，选择一个服务器的 Offer，并发送 DHCP Request 报文，请求确认分配的IP地址。
确认阶段（DHCP Ack）：服务器确认客户端的请求，发送 DHCP Ack 报文，正式分配IP地址及其他配置信息。

这是一个四步的交互过程，包括客户端的广播请求、服务器的提供回应、客户端的确认地址和服务器的确认并更新数据库。

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客户端广播请求（Discover）
- 当 DHCP 客户端（如计算机、路由器等）启动时，它会在网络上广播一个 DHCP Discover 消息（因为主机现在并不知道网络中有哪几个DHCP服务器），请求可用的 IP 地址和其他网络配置参数。这个广播消息会被网络上的所有设备接收，但只有DHCP服务器会对此作出响应。
- DHCP Discover 消息报文封装有事务ID、DHCP 客户端的 MAC 地址等信息
DHCP服务器提供回应（Offer）
- 当 DHCP 服务器接收到客户端的 DHCP Discover 广播后，它会从预定义的IP地址池中选择一个未使用的IP地址，根据其中封装的 DHCP 客户端的 MAC 地址实查找自己的数据库，看是否有针对该 MAC 地址的配置信息。
  
  如果有，则使用这些配置信息来构建并发送 DHCP 提供报文；则采用默认配置信息来构建并发送 DHCP 提供报文。并通过广播或单播方式向客户端发送一个 DHCP Offer 消息。
  
  DHCP 服务器从自己的 IP 地址池中挑选待租用给主机的IP地址时，会使用ARP确保所选IP地址未被网络中其他主机占用。
- 这个 Offer 消息中包含了分配的 IP 地址、子网掩码、地址租期、默认网关、DNS 服务器地址等配置信息。
- 如果网络中存在多个 DHCP 服务器，客户端可能会收到多个 Offer 消息。在这种情况下，客户端通常会选择第一个收到的Offer或根据其他标准（如服务器优先级）选择一个Offer。
DHCP客户端确认地址（Request）
- 客户端在收到 DHCP Offer 后，DHCP 客户会根据 DHCP 提供报文中的事物 ID，来判断该报文是否是自己所请求的报文，然后发送一个 DHCP Request 消息给选定的 DHCP 服务器，表示它接受该服务器提供的IP地址和其他配置参数。
  
  这个 Request 消息是一个广播消息（目的IP地址为广播地址），因为首先需要征得该服务器的同意，之后才能正式使用向该DHCP服务器租用的IP地址。
  
  DHCP 请求报文中封装有事物 ID、DHCP 客户端的 MAC 地址、接受的租约中的 IP 地址、提供此租约的 DHCP 服务器端的 IP 地址等信息。
DHCP服务器确认并更新数据库（Ack/Decline）
- 当 DHCP 服务器收到客户端的 DHCP Request 消息后，它会发送一个 DHCP Ack 消息作为响应（目的IP地址为广播地址），确认客户端可以使用请求的IP地址和其他配置参数。这个 Ack 消息也会更新DHCP服务器的数据库，标记该 IP 地址已经被分配出去。
- 此时，DHCP 服务器仍会使用 ARP 检测所分配到的 IP 地址是否已被网络中其他主机占用，如果 DHCP 服务器提供的 IP 地址已经被其他客户端使用（由于某种原因），则服务器会发送一个 DHCP DECLINE 消息给客户端，撤销地址租约，表示IP地址分配失败，客户端需要重新发送 DHCP Discover 消息以获取新的IP地址。
  
  若未被占用，则可以使用租约中的IP地址与网络中其他主机通信了

地址分配机制

DHCP 提供了两种主要的地址分配机制：

动态分配：为客户端分配一个有使用期限的IP地址（租期）。租期到期前，客户端需要续租。这种方式适用于临时接入网络的设备。
静态分配：网络管理员可以为特定设备分配固定的IP地址，避免手动配置错误

在工作过程中：

DHCP客户端更新租约（Request/Discover）
- 当 DHCP 客户端已经和某个 IP 地址绑定后，经过 0.5 倍的租用期时间后，为了更新 IP 地址的租约，它会发送 DHCP REQUEST 单播报文。在这种情况下，客户端知道服务器的具体地址，因此可以直接向该地址发送单播请求。
- DHCP 服务器若同意，则发回 DHCP ACK 确认报文，这样，DHCP 客户就得到了新的租用期。
- DHCP 服务器若不同意，则发回DHCP NACK否认报文，这时，DHCP 客户必须立即停止使用之前租用的IP地址，并重新发送 DHCP Discover 发现报文来重新申请IP地址。
- DHCP 服务器者未做出响应，则在租用期过了 87.5% 时，DHCP 客户必须重新发送 DHCP REQUEST 请求报文，然后继续等待 DHCP 服务器可能做出的反应。
- 若 DHCP 仍未做出响应，当租用期到期后，DHCP 客户必须立即停止使用之前租用的 IP 地址，并重新发送 DHCP 发现报文来重新申请 IP 地址。
DHCP客户终止租用期（Release）
- DHCP 客户可以随时提前终止 DHCP 服务器所提供的租用期，这时只需向 DHCP 服务器发送 DHCP RELEASE 释放报文段即可。