DHCP協議工作流程分析

ZHONGCAI0901發表於2020-10-17
協議

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1.前言

DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議，簡單來說就是主機獲取IP地址的過程，屬於應用層協議。DHCP採用UDP的68（客戶端）和67（伺服器）（伺服器）埠進行通訊。

2.DHCP工作過程

為了動態獲取並使用一個合法的IP地址，需要經歷以下幾個階段：

  1. 發現階段：即 DHCP 客戶端尋找 DHCP 伺服器的階段。
  2. 提供階段：即 DHCP 伺服器提供 IP 地址的階段。
  3. 選擇階段：即 DHCP 客戶端選擇某臺 DHCP 伺服器提供的 IP 地址的階段。
  4. 確認階段：即 DHCP 伺服器確認所提供的 IP 地址的階段。
    DHCP協議工作流程分析

IP地址的動態獲取過程如圖2所示，下面將詳細介紹每個階段的工作過程。

2.1 發現階段

在發現階段，DHCP客戶端通過傳送DHCP-DISCOVER報文來尋找DHCP伺服器。由於DHCP伺服器的IP地址對於客戶端來說是未知的，所以DHCP客戶端以廣播方式傳送DHCP-DISCOVER報文。所有收到DHCP-DISCOVER報文的DHCP伺服器都會傳送回應報文，DHCP客戶端據此可以知道網路中存在的DHCP伺服器的位置。

2.2 提供階段

網路中接收到DHCP-DISCOVER報文的DHCP伺服器，會選擇一個合適的IP地址，連同IP地址租約期限和其他配置資訊（如閘道器地址，域名伺服器地址等）一同通過DHCP-OFFER報文傳送給DHCP客戶端。

DHCP伺服器通過地址池儲存可供分配的IP地址和其他配置資訊。當DHCP伺服器接收到DHCP請求報文後，將從IP地址池中取得空閒的IP地址及其他的引數，傳送給DHCP客戶端。

DHCP伺服器為客戶端分配IP地址的優先次序如下：

  1. 與客戶端 MAC 地址或客戶端 ID 靜態繫結的 IP 地址；
  2. DHCP 伺服器記錄的曾經分配給客戶端的 IP 地址；
  3. 客戶端傳送的 DHCP-DISCOVER 報文中 Option 50 欄位指定的 IP 地址；
  4. 在 DHCP 地址池中，順序查詢可供分配的 IP 地址，最先找到的 IP 地址；
  5. 如果未找到可用的 IP 地址，則依次查詢租約過期、曾經發生過沖突的 IP 地址，如果找到則進行分配，否則將不予處理。

DHCP伺服器為客戶端分配IP地址時，伺服器首先需要確認所分配的IP沒有被網路上的其他裝置所使用。DHCP伺服器通過傳送ICMP Echo Request（ping）報文對分配的IP進行探測。如果在規定的時間內沒有應答，那麼伺服器就會再次傳送ping報文。到達規定的次數後，如果仍沒有應答，則所分配的IP地址可用。否則將探測的IP地址記錄為衝突地址，並重新選擇IP地址進行分配。

2.3 選擇階段

如果有多臺DHCP伺服器向DHCP客戶端回應DHCP-OFFER報文，則DHCP客戶端只接受第一個收到的DHCP-OFFER報文。然後以廣播方式傳送DHCP-REQUEST請求報文，該報文中包含Option 54（伺服器標識選項），即它選擇的DHCP伺服器的IP地址資訊。

以廣播方式傳送DHCP-REQUEST請求報文，是為了通知所有的DHCP伺服器，它將選擇Option 54中標識的DHCP伺服器提供的IP地址，其他DHCP伺服器可以重新使用曾提供的IP地址。

2.4 確認階段

收到DHCP客戶端傳送的DHCP-REQUEST請求報文後，DHCP伺服器根據DHCP-REQUEST報文中攜帶的MAC地址來查詢有沒有相應的租約記錄。如果有，則傳送DHCP-ACK報文作為應答，通知DHCP客戶端可以使用分配的IP地址。

DHCP客戶端收到DHCP伺服器返回的DHCP-ACK確認報文後，會以廣播的方式傳送免費ARP報文，探測是否有主機使用伺服器分配的IP地址，如果在規定的時間內沒有收到回應，客戶端才使用此地址。否則，客戶端會傳送DHCP-DECLINE報文給DHCP伺服器，通知DHCP伺服器該地址不可用，並重新申請IP地址。

如果DHCP伺服器收到DHCP-REQUEST報文後，沒有找到相應的租約記錄，或者由於某些原因無法正常分配IP地址，則傳送DHCP-NAK報文作為應答，通知DHCP客戶端無法分配合適IP地址。DHCP客戶端需要重新傳送DHCP-DISCOVER報文來請求新的IP地址。

3. DHCP報文格式

DHCP報文格式如下圖所示：

DHCP協議工作流程分析
DHCP報文的各個欄位的具體說明如下：
  • op：報文的操作型別，分為請求報文和響應報文，1 為請求報文；2 為響應報文。具體的報文型別在 option 欄位中標識。
  • htype：硬體地址型別。
  • hlen：硬體地址長度。系統目前只對乙太網支援，硬體地址長度固定為 6。
  • hops：DHCP 報文經過的 DHCP 中繼的數目。DHCP 請求報文每經過一個DHCP 中繼，該欄位就會增加 1。
  • xid：由客戶端軟體產生的隨機數，用於匹配請求和應答報文。
  • secs：客戶端進入 IP 地址申請程式的時間或者更新 IP 地址程式的時間；由客戶端軟體根據情況設定。目前沒有使用，固定為 0。
  • flags：標誌欄位。第一個位元為廣播響應標識位，用來標識 DHCP 伺服器響應報文是採用單播還是廣播方式傳送，0 表示採用單播方式，1 表示採用廣播方式。其餘位元保留不用。
  • ciaddr：DHCP 客戶端的 IP 地址。
  • yiaddr：DHCP 伺服器分配給客戶端的 IP 地址。
  • siaddr：DHCP 客戶端獲取 IP 地址等資訊的伺服器 IP 地址。
  • giaddr：DHCP 客戶端發出請求報文後經過的第一個 DHCP 中繼的 IP 地址。
  • chaddr：DHCP 客戶端的硬體地址。
  • sname：DHCP 客戶端獲取 IP 地址等資訊的伺服器名稱。
  • file：DHCP 伺服器為 DHCP 客戶端指定的啟動配置檔名稱及路徑資訊。
  • options：可選變長選項欄位，包含報文的型別、有效租期、DNS 伺服器的IP 地址、WINS 伺服器的 IP 地址等配置資訊。

4.使用Wireshark抓包分析

通過Wireshark抓取DHCP獲取IP過程的資料包文：

  1. 開Wireshark抓包
  2. PC當前已有IP，使用cmd命令釋放IP（ipconfig /release)，並重新獲取IP（ipconfig /renew）
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3. 停止抓包，使用bootp過濾報文。
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4. 根據DHCP報文格式分析抓取的報文，這裡舉例DHCP Offer報文的分析，如下：
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5.參考資料

  1. DHCP技術白皮書:
    http://www.h3c.com/cn/d_200802/333443_30003_0.htm#download

  2. DHCP協議原理及其實現流程：
    https://blog.csdn.net/wuruixn/article/details/8282554

  3. DHCP完整過程詳解及Wireshark抓包分析：
    https://bbs.huaweicloud.com/blogs/158906

  4. DHCP協議原理及抓包分析：
    https://blog.csdn.net/andy_93/article/details/78238931

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