哈工大计算机网络课程网络层协议详解之：DHCP协议
文章目录
- 哈工大计算机网络课程网络层协议详解之：DHCP协议
- 如何获得IP地址？
- 硬编码
- 动态主机配置协议-DHCP：（Dynamic Host Configuration Protocol）
- 动态主机配置协议（DHCP）
- DHCP工作过程示例
在之前的网络层内容介绍中，我们讲解了IP地址的概念、IP子网/子网掩码、有类IP地址的划分，CIDR无类IP地址以及路由聚合等概念。接下来，继续介绍网络层中的另一个基础概念：作为一个主机，如何获得一个IP地址，并完成IP地址相关信息的配置。为此，重点介绍DHCP协议。
如何获得IP地址？
硬编码
-
静态配置
如下图所示，如果最上面这台主机的IP地址确定为223.1.1.1，则可以在主机的网络设置，Internet选项中，直接硬编码配置上该IP地址。
IP地址栏即是我们固定设置的IP地址：223.1.1.1
子网掩码：即根据当前主机所在的子网规格来配置，由于图中的子网前缀是25，说明IP地址的前25位都是网络号+子网号，所以子网掩码就是前25位为1，即255.255.255.128。
默认网关：表示当这个子网内的IP数据报要离开这个子网时，要把它送到哪一个IP地址上进行转发。图中的子网由223.1.14这个IP地址的路由器与其他子网相连，所以默认网关的地址就是223.1.1.4。路由器中223.1.1.4这个接口的IP地址，也就是这个子网中所有主机的默认网关。
DNS域名服务器：主机需要进行域名解析时，需要把域名解析的查询发送给哪一个服务器。
动态主机配置协议-DHCP：（Dynamic Host Configuration Protocol）
顾名思义，该协议提供了动态获取主机IP地址，子网掩码、默认网关等配置。
- 从DHCP服务器动态获取（租赁）：
- IP地址
- 子网掩码
- 默认网关地址
- DNS服务器名称与IP地址
- 即插即用
- 作为主机，只要能运行DHCP协议客户端，就能够自动的连接DHCP服务器获取动态IP地址
- 允许地址重用。
- 主机在接入网络时，通过DHCP协议向服务器租用一个IP地址。当我们结束网络通信或者关机后，就可以将分配的IP地址归还，DHCP服务器可以将该IP地址再租用给其他主机进行使用，大大提高了IP地址的利用率。
- 支持移动用户加入网络
动态主机配置协议（DHCP）
有了DHCP协议后，假设存在下面的网络结构，我们在223.1.2.0/24的子网下有一个DHCP服务器，此时当有一个新的外来用户打算联入到这个网络中，希望动态得获取IP地址信息的时候，就可以借助于DHCP客户端，利用DHCP协议向DHCP服务器完成地址申请和分配。
在与DHCP服务器进行通信，报文交换的过程中，主要会交换以下几种报文：
-
主机广播 “DHCP discover“（发现报文）
作为一个接入网络的DHCP客户端机，需要发现网络中是否存在DHCP服务器。所以需要广播一个DHCP发现报文，来探测网络中是否存在DHCP服务器
如果存在DHCP服务器，则DHCP服务器会利用"DHCP offer"（提供报文）进行响应
主机向DHCP服务器发送获取IP地址请求：“DHCP request“（请求报文）
如果DHCP服务器能够为客户机分配IP地址的话，则会返回一个DHCP确认报文，携带分配的IP地址：“DHCP ack“（确认报文）
DHCP工作过程示例
假设在网络中配置了一个DHCP服务器，IP地址为：223.1.2.5，端口号：67。
当一个客户端希望接入此网络，并动态的获取IP地址信息，整体流程为：
- 客户机向DHCP服务器发送DHCP发现报文。 客户端的src源IP地址0.0.0.0表示本机，客户端端口号是68，这些是协议规定的。dest目的地址是4个255，表示广播地址，进行广播来发现DHCP服务器。另外，指定了一个事务ID：654
- DHCP发现报文广播出去后，网络中的主机实际上都会收到，只是不会做响应，只有DHCP服务器会做响应
- 当DHCP服务器能够为客户机分配IP地址的话，会返回DHCP offer报文，其中src源IP地址为：223.1.2.5，是DHCP服务器的IP地址，dest目的地址也为：255.255.255.255，广播出去（因为此时，客户机还没有IP地址，所以只能广播的形式），只有DHCP客户机接收到该报文后，才会做出响应。分配的IP记录在yiaddr字段里，下图表示分配的IP地址为：223.1.2.4。
- 客户机收到DHCP offer报文后，会响应一个DHCP request请求报文。 此时可以发现，发送的报文里src目的地址还是4个255，采用的仍然是广播的方式。这里为什么在上一个报文里已经携带了DHCP服务器的IP地址，却还要使用广播地址的方式呢？原因是网络中可能不只一个DHCP服务器，因此通过这种广播的方式也是在告知其他DHCP服务器，客户机已经确定从某一个DHCP服务器中申请IP了，这样其他DHCP服务器可以快速的收回预分配给当前客户机的IP，从而可以将这些IP分配给其他客户机。
- DHCP服务器收到请求报文后，会返回一个确认报文ack。 在收到确认报文后，就可以从yiaddr字段中取出分配的IP地址，并进行后续一系列的动态配置等操作，真正完成地址绑定。
- 在确认报文中，除了包含yiaddr分配的IP地址外，还包含默认网关，子网掩码、域名服务器等等信息，从而实现客户机的动态配置。
通过上面的介绍也可以发现，涉及到端口号、请求/响应等过程，说明DHCP协议是一个在应用层实现的协议，采用的是典型的客户机/服务器的方式进行通信。
作为DHCP的实际实现来说，其请求报文都是封装到UDP数据报中，再到IP数据包，再到链路层。 由于DHCP协议的请求报文是利用广播的形式发送的，反映到网络层，实际上借助于IP广播的方式，反映到链路层，实际上是借助于链路层广播（e.g. 以太网广播）
整个层次结构的过程如下图所示：
