TCP / IP协议-DHCP和自动配置的详细说明

可以在Internet上运行并提供通用服务的系统的基本元素:

DHCP简介

DHCP，动态主机配置协议，以前称为BOOTP协议，是局域网的网络协议. 它使用UDP协议工作，并使用两个常用端口: 67（DHCP服务器），68（DHCP客户端）. DHCP通常在LAN环境中使用. 它的主要作用是集中管理和分配IP地址，以便客户端可以动态获取IP地址，网关地址和DNS服务器地址等信息，并可以提高地址的利用率.

DHCP由两个主要部分组成: 地址管理和配置数据传递. 地址管理用于IP地址的动态分配，并为客户端提供地址租赁. 配置数据传递包括DHCP协议的消息格式和状态机.

DHCP服务器确定IP分配方法: 自动分配，动态分配和手动分配.

1. 最常见的方法是动态分配. 客户端从服务器配置的地址池（通常是预定义的范围）中获取可撤消的IP地址.

2. 自动分配使用相同的方法，但是地址无法撤消.

3. 在手动分配中，DHCP协议用于传输地址，但对于请求客户端，该地址不变（也就是说，它不是服务器维护的可分配池的一部分）.

DHCP客户端是指网络设备上支持DHCP协议的指定端口，通过该端口与DHCP服务器交互以获取配置信息. 两者之间的区别在于地址分配是基于客户的身份，还是可以撤消或更改地址.

在上述动态分配方法中，DHCP客户端请求IP地址，服务器从可用地址池中选择一个地址作为响应. 通常，此地址池是专门为DHCP分配的连续IP地址范围.

分配给客户的地址仅在一定时期内有效，这称为租用期.

当服务器为客户端提供租约期限时，服务器会将租约信息保存在持久性存储中，通常存储在非易失性内存或磁盘中.

DHCP消息格式

DHCP的前身是BOOTP，它在BOOTP上进行了扩展bootp协议，以保持两种协议之间的兼容性. DHCP（或BOOTP）消息格式如下图所示:

Op（操作字段）标识消息是请求（1）还是响应（2）；

HW类型字段是根据ARP使用的值分配的，并且在相应的IANA ARP参数页面[IARP]中定义，最常见的值为1（以太网）；

HW长度字段用于存储硬件（MAC）地址. 对于类似以太网的网络，该值通常为6；

跳过步骤字段用于保存消息传输期间的中继数量. 发送者将此值设置为0，并向每个中继添加1；

交易ID由客户端选择，是用于将响应与请求进行匹配的随机数；

秒数字段由客户端设置，是第一次尝试申请或重新申请地址后经过的秒数；

标志字段当前仅包含一个已定义的位，称为广播标志；

客户端IP地址包含请求者的IP地址（如果知道），否则为0；

“您的” IP地址由服务器填写，将服务器地址提供给请求者；

下一台服务器的IP地址提供了客户端启动过程中下一台服务器的地址；

DHCP或BOOTP中继器填充了网关中继IP地址，并且它们在转发消息时返回其地址；

客户端硬件地址保存客户端的硬件地址（唯一标识符）；

服务器名称和启动文件名称是可选的，指示服务器名称或启动文件路径；

选项字段是BOOTP中的供应商扩展字段. 现在，它用于区分DHCP消息和传统的BOOTP消息. 选项通常提供相对简单的配置信息或支持其他一些协商协议.

常用选项包括填充（0），子网掩码（1），路由器地址（3），域名服务器（6），域名（15），请求的IP地址（50），地址租用期（51）， DHCP消息类型（53），服务器标识符（54）等.

DHCP协议的地址分配过程

当新客户端连接到网络时，它首先找到可用的DHCP服务器，它们可以提供地址. 然后，它决定使用哪个服务器和哪个地址，并将请求发送到提供该地址的服务器（同时将所有其他选择通知所有服务器）. 除非服务器在此期间没有分配地址，否则它将通过确认将地址分配给发出请求的客户端.

如下所示，是典型的DHCP交换:

过程分析:

1. 客户端连接到网络，并向网络广播DHCPDISCOVER消息；

2. DHCP服务器接收消息，响应DHCPOFFER消息，并在“您的” IP地址字段中填写提供的IP地址，并提供租约时间（T），更新时间（T / 2）和重新绑定时间（7T） / 8）和其他信息；

3. 客户端从一个或多个DHCP服务器接收响应，确定所需的DHCPOFFER，并广播包含服务器标识符选项的DHCPREQUEST消息. 请求的IP地址选项设置为由客户端使用. IP地址；

4. 多个DHCP服务器可以接收广播的DHCPREQUEST消息，但是只有DHCPREQUEST消息标识的服务器同意绑定地址，其他服务器清除与请求相关的状态，然后标识的服务器对客户端计算机作出响应: 1）. 发送DHCPACK消息bootp协议，即可使用地址； 2）. 无法分配地址，发送DHCPNAK消息；

5. 客户端在接收到DHCPACK消息后进行配置，并探测网络以确定未使用该地址. 如果未检测到冲突，则直接使用. 如果检测到冲突，客户端将丢弃该地址，并向服务器发送DHCPDECLINE消息以通知该地址无法使用. 默认延迟10秒后，客户端将从步骤1重新开始操作；

DHCP协议在客户端和服务器中运行状态机. 该状态用于指示协议接下来要处理的消息类型:

在简单的网络中，同一局域网中的客户端可以使用DHCP服务器，但是在更复杂的网络中，可以通过一个或多个DHCP中继代理中继DHCP流量，以执行DHCP操作. 扩展以跨越多个网段.

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