大家有没有这样的经历呢?在火车站明明发现WiFi信号是满格,却无法访问网络,这就是今天的主人翁导致的。
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BOOTP在进入主题之前,不得不提另外一个协议,BOOTP,该协议是DHCP的前身。
在远古时代,很多企业采用无盘工作站,具有节省成本,共享空间等特点(网吧较多),无盘的核心是通过引导请求帧(Find帧,携带ID号)进行广播,服务端收到后,检查本地数据库是否存在该ID号,如果存在就发送机器名称、IP地址、启动镜像等,此时客户机就可以启动了。
那么这里和BOOTP有什么关系呢?最初采用RARP协议来分配地址,但由于RARP工作在二层,而且是静态分配,如果跨网段或者网段资源用尽就需要部署更多的RARP服务器,因此BOOTP应运而生。
BOOTP通过UDP的67/68端口(67用于客户机,68用于服务器),由RARP扩展而来,支持动态分配地址。但是不支持租期等功能,所以逐渐被淘汰
DHCP作为BOOTP扩展而来的协议,DHCP正式拉开了计算机平民化的脚步,扪心自问,有多少人不会配置IP地址的,可以举个手,但你可以畅游网络世界,原因就是DHCP服务在帮你配置。
DHCP作用
自动分配地址给终端
DHCP角色组成
- DHCP Client
- DHCP Relay
- DHCP Server
DHCP报文格式
括号的数字代表字段长度,单位为字节
字段的含义
DHCP报文类型
- DHCP DISCOVER:寻找DHCP Server
- DHCP OFFER:服务端响应报文,并携带相关信息
- DHCP request:⑴客户端回应OFFER报文⑵客户端重启,发送request确认之前分发的IP地址信息⑶客户端与IP地址静态绑定,发送request单播或广播更新IP地址租约
- DHCP ACK:服务器确认客户端的request报文,此报文为终止
- DHCP NAK:拒绝客户端的request响应报文
- DHCP DECLINE:客户端发现分配的地址发生冲突通知服务器的报文
- DHCP RELEASE:客户端主动IP释放报文
- DHCP INFORM:客户端获取地址后,需要向DHCP服务端获取详细的信息(网关、DNS等)发送的报文
DHCP报文Options字段说明
DHCP报文中的Options字段可以用来存放没有定义的控制信息和参数。如果用户在DHCP服务器端配置了Options字段,DHCP客户端在申请IP地址的时候,会通过服务器端回应的DHCP报文获得Options字段中的配置信息。
options字段格式
options字段含义
常用options选项
DHCP工作原理
初次接入网络
初次接入网络示意图
① 客户端发起DHCP DISCOVER广播;
② 所有服务端收到DISCOVER报文后,通过DHCP OFFER(带有IP地址、租约等信息)报文进行回复;
③ 客户端接收到的第一个OFFER报文,以广播的形式发送DHCP REQUEST报文(为什么是发广播?答案在文尾);
④ 服务端收到REQUEST报文,对比报文中的MAC地址是否有相应的租约记录,如果有,就直接通过ACK报文确认,如果没有相应的租约记录或无法正常分配IP地址,则发送DHCP NAK应答,通知客户端重新申请新的IP地址
⑤ 客户端收到服务端发送的ACK报文后,会发送一个免费的ARP,探测该地址是否在被使用,在规定时间内未收到回应,才会使用该地址
⑥ 客户端获取地址后,上线之前会检查网关的状态,如果网段地址错误或者网关设备故障,DHCP将重新启动以上过程
DHCP客户端重新获取分配的IP地址
获取曾经分配的IP地址
① 客户端再次连接到网络中,且租约还未过期,直接发送DHCP REQUEST报文。
② 服务端收到该报文后,检查该地址的分配情况,如果地址还未被分配,直接返回ACK,如果被使用,将返回DHCP NAK,客户端收到后,重新通过4步完成地址申请。(服务器如何知道客户曾经使用过什么地址?答案在文末)
DHCP客户端租约
租约作为DHCP的最大特点,合理的规划租期,可以避免资源的浪费和新增用户接入异常。
更新租约过程
DHCP客户端租约更新过程
IP租约期达到50%(T1)时,DHCP客户端会以单播的形式向DHCP REQUEST报文,请求更新,收到ACK,则更新租约;如果收到NAK,则重新发起申请过程;
IP租约期达到87.5%(T2)时,如果仍未收到回应,DHCP客户端向DHCP服务器发送其IP租约更新的REQUEST报文,后续过程与T1一致
如果租约到期,则停止使用该地址,重新发起申请IP过程。
DHCP主动释放IP地址
DHCP客户端不再使用自动分配地址,会主动发送DHCP RELEASE报文,通知DHCP服务器释放地址租约。DHCP服务器会保留该客户端的信息,以便客户端重新申请IP地址时,重新使用这些参数。
DHCP Relay工作原理
在企业中,一般DHCP服务器都集中在一台设备,而DHCP的大部分报文都是广播,如何跨广播域申请呢?那么通过中继的方式可以实现。
DHCP中继过程
1.DHCP中继收到DHCP DISCOVER或DHCP REQUEST报文后:
- 防止DHCP报文形成环路,设置HOPS的值,每经过一个中继,将hops字段加1,当大于规定值,会丢弃该报文(hops值为TTL的值);
- 检查giaddr字段,如果该字段置位为0,需要将giaddr字段设置为接收请求报文的接口IP地址,如为1,保持不变;
- DHCP请求报文的目的地址改为DHCP服务器或下一个中继的IP地址。
2.DHCP服务器根据中继的Relay Agent IP Address字段为客户分配IP地址等参数,并将DHCP应答报文发送给Relay Agent IP Address字段表示的DHCP中继,中继收到报文后:
- 如果Relay Agent IP Address字段不是本地接口的地址,DHCP中继将丢弃应答报文。(Relay Agent IP Address字段用来识别与客户端直连的接口)
- 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应答报文广播发送给DHCP客户端;否则将DHCP应答报文单播发送给DHCP客户端,其目的地址为客户端IP地址字段内容,链路层地址为MAC地址。
客户端通过DHCP Relay更新租约
通过Relay方式更新租约
- DHCP客户端再次网络后,直接以单播的形式发送DHCP REQUEST报文。
- DHCP服务器直接向客户端发送单播的确认OFFER报文或者NAK响应报文。
DHCP Relay支持向DHCP服务端发送DHCP RELEASE报文
IP地址分配优先原则
- IP与MAC地址静态绑定
- 客户端曾经分配过的地址
- DHCP顺序查找的地址
防止IP重复分配方法
DHCP服务端会定期通过ARP探测,确认没有回复认为该地址未分配(除预留地址外)
防止多DHCP服务器存在同一个网络
通过DHCP Snooping功能,接DHCP服务端接口设置为信任,其他默认为不信任,网络设备会自动丢弃DHCP报文,从而避免私接或误接DHCP服务器,导致业务异常。
写在最后上文中,留下了两道思考题,这里做出解答:
1.为什么客户端发起的REQUEST报文会是广播?
这是由于前面发送的DISCOVER报文会发给所有DHCP服务端,这里的REQUEST会携带options 54,告诉其他DHCP服务器,我已经选择了该服务器作为我的DHCP服务器,让其他服务器不要再回复了。
2.DHCP服务端怎么知道客户端曾经使用过的IP
- 客户端申请时,会将options 50写入自己曾经用过的IP。
- 服务端会保留客户端信息一段时间
虽然DHCP章节非常简单,但具体的过程还是比较复杂的,情况很多,所以需要不断的实践加深你的理解。
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