DHCP协议

网路﹐或是电经过了前面的学习,相信您不再认为设定与管理 TCP/IP 网路是件轻松的事情。要成功的将您的网路用 TCP/IP 连接起来,您就得为每台电脑设定 IP、mask、gateway、等等繁琐的事情。要是您想管理好一个比较大的脑节点经常改变(如手提电脑或拨接)﹐这样的工作可以说是非常令人讨厌的﹐而且出错的机会也比较多。要是,万一日后要进行 IP 重新规划﹐其工作量也是相当惊人的。

面对这些情形﹐DHCP 可以说您的菩萨了﹕它不但救苦救难﹐而且神通广大。

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﹐但并不意味著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。这也是为什麽当您查看 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 分钟之后再重複一次 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 已经被佔用﹐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 裡面﹕

    號碼 代表意思
    01 Sub-net Mask
    03 Router Address
    06 DNS Server Address
    0F Domain Name
    2C WINS/NBNS Server Address
    2E WINS/NBT Node Type
    2F NetBIOS Scope ID

    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圖:

DHCP 發放流程

第一次登录之后﹕

一旦 DHCP 客户端成功地从伺服器那里取得 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。至于 IP 的租约期限却是非常考究的﹐并非如我们租房子那样简单﹐ 以 NT 为例子﹕DHCP 工作站除了在开机的时候发出 dhcprequest 请求之外﹐在租约期限一半的时候也会发出 dhcprequest ﹐如果此时得不到 DHCP 伺服器的确认的话﹐工作站还可以继续使用该 IP ﹔然后在剩下的租约期限的再一半的时候(即租约的75%)﹐还得不到确认的话﹐那麽工作站就不能拥有这个 IP 了。至于为什麽不是到租约期限完全结束才放弃 IP 呢﹖﹐对不起﹐小弟也是不学无术之人﹐没有去深究了﹐只知道要回答 MCSE 题目的时候﹐您一定要记得 NT 是这麽工作的就是了。要是您想退租,可以随时送出 DHCPLEREASE 命令解约﹐就算您的租约在前一秒钟才获得的。

跨网路的 DHCP 运作

从前面描述的过程中,我们不难发现:DHCDISCOVER 是以广播方式进行的,其情形只能在同一网路之内进行﹐因为 router 是不会将广播传送出去的。但如果 DHCP 伺服器安设在其它的网路上面呢﹖由于 DHCP 客户端还没有 IP 环境设定﹐所以也不知道 Router 位址﹐而且有些 Router 也不会将 DHCP 广播封包传递出去﹐因此这情形下 DHCPDISCOVER 是永远没办法抵达 DHCP 伺服器那端的,当然也不会发生 OFFER 及其他动作了。要解决这个问题,我们可以用 DHCP Agent (或 DHCP Proxy )主机来接管客户的 DHCP 请求﹐然后将此请求传递给真正的 DHCP 伺服器﹐然后将伺服器的回覆传给客户。这里﹐Proxy 主机必须自己具有路由能力,且能将双方的封包互传对方。

若不使用 Proxy,您也可以在每一个网路之中安装 DHCP 伺服器﹐但这样的话﹐一来设备成本会增加﹐而且﹐管理上面也比较分散。当然萝﹐如果在一个十分大型的网路中﹐这样的均衡式架构还是可取的。端视您的实际情况而定了。

DHCP 封包格式

0 8 16 24

31

OP HTYPE HLEN HOPS
TRANSACTION ID
SECONDS FLAGS
ciaddr
yiaddr
siaddr
giaddr
chaddr(16 bytes)
sname(64 bytes)
file(128 bytes)
Options(312 bytes)

以下为各栏位的简要说明:

OP
若是 client 送给 server 的封包,设为 1 ,反向为 2 。
HTYPE
硬体类别,Ethernet 为 1 。
HLEN
硬体位址长度, Ethernet 为 6 。
HOPS
若封包需经过 router 传送,每站加 1 ,若在同一网内,为 0 。
TRANSACTION ID
DHCPREQUEST 时产生的数值,以作 DHCPREPLY 时的依据。
SECONDS
Client 端启动时间(秒)。
FLAGS
从 0 到 15 共 16 bits ,最左一 bit 为 1 时表示 server 将以广播方式传送封包给 client ,其余尚未使用。
ciaddr
要是 client 端想继续使用之前取得之 IP 位址,则列于这里。
yiaddr
从 server 送回 client 之 DHCPOFFER 与 DHCPACK 封包中,此栏填写分配给 client 的 IP 位址。
siaddr
若 client 需要透过网路开机,从 server 送出之 DHCPOFFER、DHCPACK、DHCPNACK 封包中,此栏填写开机程式码所在 server 之位址。
giaddr
若需跨网域进行 DHCP 发放,此栏为 relay agent 的位址,否则为 0 。
chaddr
Client 之硬体位址。
sname
Server 之名称字串,以 0x00 结尾。
file
若 client 需要透过网路开机,此栏将指出开机程式名称,稍后以 TFTP 传送。
options
允许厂商定议选项(Vendor-Specific Area),以提供更多的设定资讯(如:Netmask、Gateway、DNS、等等)。其长度可变,同时可携带多个选项,每一选项之第一个 byte 为资讯代码,其后一个 byte 为该项资料长度,最后为项目内容。

CODE LEN VALUE

此栏位完全兼容 BOOTP ,同时扩充了更多选项。其中,DHCP 封包可利用编码为 0x53 之选项来设定封包类别:

項值 類別
1 DHCPDISCOVER
2 DHCPOFFER
3 DHCPREQUEST
4 DHCPDECLINE
5 DHCPACK
6 DHCPNACK
7 DHCPRELEASE

DHCP 的选项非常多,有空请查阅 RFC 或相关文献,并好好理解,这里不再叙述了。

DHCP 協定之 RFC 文件

RFC-951﹑RFC-1084﹑RFC-1123﹑RFC-1533﹑RFC-1534﹑RFC-1497﹑RFC-1541﹑RFC-2131﹑RFC-2132

習題﹕

  1. 请问 DHCP 的前身是甚麽?还有,DHCP 是做甚麽用的?
  2. 请列举 DHCP 的分配形式,并加以说明。
  3. 请详述 DHCP 的发放流程,并留意不同阶段所用的封包类型。
  4. 请用图画出 DHCP 的简单发放流程。
  5. 请问跨网路的 DHCP 是如何运作的?
  6. 请绘 DHCP 的封包结构,并尝试简述每一栏位的意思。
  7. 请说明编码为 0x53 至 DHCP Options 有哪些值,及其代表含意。

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