DHCP 出现
电脑或手机需要 IP 地址才能上网。大刘有两台电脑和两台手机，小美有一台笔记本电脑、一台平板电脑和两台手机，老王、阿丽、敏敏也有几台终端设备。如果为每台设备手动配置 IP 地址，那会非常繁琐，一点儿也不方便。特别是手机、笔记本电脑、平板电脑等设备，每移动到一个新的地方，接入不同的网络，都要重新设置 IP 地址，实在是太麻烦了。
于是就有了 DHCP 协议，会自动配置设备的网络参数，包括 IP 地址、子网掩码、网关地址、DNS 服务器等，替代手动配置。还能统一 IP 地址分配，方便网络管理。
DHCP 简介
DHCP 协议是从 BOOTP 协议发展而来。但 BOOTP 运行在相对静态的环境中，每台设备配置专门的 BOOTP 参数文件，该文件会在相当长的时间内保持不变。DHCP 从以下两方面对 BOOTP 进行了扩展：
- DHCP 允许设备动态地获取 IP 地址，而不是静态指定每台主机地址。
- DHCP 能够分配其它的配置参数，客户端仅用一个消息就获取它所需要的所有配置信息。
大刘他们的设备使用 DHCP 功能后，只要连接到网络，就可以进行 TCP/IP 通信。对于路由器和交换机，通常是手动配置 IP 地址等参数。
DHCP 是一种 Client/Server 模式的网络协议，由 DHCP Client 向 DHCP Server 提出配置申请，DHCP Server 返回为 DHCP Client 分配的配置信息。这里的 Client 和 Server 是应用程序，可以运行在电脑、服务器、路由器等设备上。
举个栗子：
大刘的电脑开机后，自动运行 DHCP Client ，DHCP Client 主动向其它设备上的 DHCP Server 提出请求，DHCP Server 根据预先配置的策略，返回相应 IP 配置信息，DHCP Client 使用获得的 IP 配置信息与其它设备进行通信。
DHCP 分配机制
DHCP 提供了两种地址分配机制，可以根据网络需求为不同的 Client 选择不同的分配策略。
- 动态分配机制：通过 DHCP 为 Client 分配一个有使用期限的 IP 地址。如果 Client 没有及时续约，到达使用期限后，这个地址可能会被其它 Client 使用。绝大多数 Client 使用的都是这种动态分配的地址。
- 静态分配机制：通过 DHCP 为特定的 Client 分配固定的 IP 地址。固定 IP 地址可以永久使用， Client 通常是打印机、服务器等设备。
在实际情况中，我们发现 DHCP Client 重启后，也能获得相同的 IP 地址。DHCP Server 为 DHCP Client 分配 IP 地址时，采用如下的顺序：
- DHCP Server 中与 DHCP Client 的 MAC 地址静态绑定的 IP 地址。
- DHCP Client 曾经使用过的 IP 地址。
- 最先找到的可用 IP 地址。
如果没找到可用的 IP 地址，就依次查询超过租期、发生冲突的 IP 地址，如果找到就进行分配，否则报错处理。
DHCP 系统组成
DHCP 系统由 DHCP Server（ DHCP 服务器）、DHCP Client（ DHCP 客户端）、DHCP Relay（ DHCP 中继）等组成。
- DHCP Server
DHCP Server 提供网络参数给 DHCP Client ，通常是一台提供 DHCP 服务功能的服务器或网络设备（路由器或三层交换机）。比如：家里用的无线路由器。 - DHCP Client
DHCP Client 通过 DHCP Server获取网络参数，通常是一台主机或网络设备。比如：大刘的电脑、小美的手机。 - DHCP Relay
通常情况下，DHCP 采用广播方式实现报文交互，DHCP 服务仅限在本地网段使用。如果需要跨网段实现 DHCP ，那么使用 DHCP Relay 技术实现。
在 DHCP Server 和 DHCP Client 之间转发跨网段 DHCP 报文的设备，通常是三层网络设备。
DHCP 基本流程
DHCP 协议报文采用 UDP 方式封装，DHCP Server 侦听的端口号是 67 ，DHCP Client 的端口号是 68 。DHCP 设备通过发送和接收 UDP 67 和 UPD 68 端口的报文进行协议交互。DHCP 的基本工作流程分为 4 个阶段，即发现阶段、提供阶段、请求阶段、确认阶段。我们假设大刘的 PC 是一台新电脑，下面将描述 PC 第一次是如何通过 DHCP 获取 IP 地址的。
为方便描述，DHCP Server 简称 小 S ，DHCP Client 简称 小 C 。
1、发现阶段
小 C 在本地网段中广播一个 DHCP Discover 报文，目的寻找能够分配 IP 地址的 小 S 。
2、提供阶段
本地网段的 小 S 收到 DHCP Discover 报文后，回应 DHCP Offer 报文。DHCP Offer 报文包含了可用 IP 地址和其它网络参数。
小 C 通过对比 Discover 报文和 Offer 报文中的 xid 字段是否相同，来判断 Offer 报文是不是发给自己的。
3、请求阶段
小 C 会收到 小 S 发送的 DHCP Offer 报文。如果有多个 小 S ，那么每个 小 S 都会回应 DHCP Offer 报文。通常 小 C 会选择最先收到的 Offer 报文，并广播 DHCP Request 报文来表明哪个 小 S 被选择，其余 小 S 就凉凉了。
如果 小 C 在一定时间后一直没收到 DHCP Offer 报文，那么它就会重新发送 DHCP Discover 报文。
4、确认阶段
小 S 收到 DHCP Request 广播报文后，发送 DHCP Ack 报文作为回应，其中包含 小 C 的网络参数。DHCP Ack 报文和之前 DHCP Offer 报文的参数不能有冲突，否则 小 S 会回应一个 DHCP Nak 报文。
当 小 C 收到 DHCP Ack 报文后，会发送免费 ARP 报文进行探测，目的地址为获得的 IP 地址，如果探测此地址没有被使用，那么 小 C 就会使用这个地址，并完成配置。
DHCP 租期
从 DHCP 协议上看，小 S 才有 IP 地址的所有权，而 小 C 只有 IP 地址的使用权。小 S 每次给 小 C 分配一个 IP 地址时，会约定一个 IP 地址的租期，通常是 24 小时。在租期内，小 C 才能使用相应的 IP 地址。当租期到期后，小 C 将不能继续使用这个 IP 地址。当然了，在租期还没到期的时候，小 C 是可以申请续租这个 IP 地址的。
T1 时刻是租期到一半的时候，T2 时刻是租期到 87.5% 的时候。在 T1 时刻 小 C 会单播一个 DHCP Request 报文给 小 S ，请求续租 IP 地址。如果 小 C 收到了 DHCP Ack 回应报文，则说明续租成功。
如果直到 T2 时刻，小 C 都未收到 DHCP Ack 回应报文，那么会广播发送一个 DHCP Request 报文，继续请求续租 IP 地址。如果 小 C 收到了 DHCP Ack 回应报文，则说明续租成功。
如果直到租期到期， 小 C 都未收到 DHCP Ack 回应报文，那么必须停止使用原来的 IP 地址。 小 C 将从发现阶段开始，重新来申请一个 IP 地址。
DHCP Relay
动态获取 IP 地址的过程中，使用广播方式发生报文，因此 DHCP 只适用于 小 C 和 小 S 在同一个子网内的情况。如果为每个网段配置一个 小 S ，这显然太浪费了。
实际上还有 DHCP Relay 这种角色。小 C 通过 DHCP Relay 实现跨网段与 小 S 通信，获取 IP 地址。这样，多个子网上的 小 C 可以使用同一个 小 S ，既节省成本，又方便集中管理。
DHCP Relay 的工作原理如下：
- 小 C 发送 DHCP Discover 或 DHCP Request 广播报文，具有 DHCP Relay 功能的网络设备收到后，根据配置将报文单播给指定的 小 S ；
- 小 S 进行 IP 地址的分配，单播发送给 DHCP Relay ，DHCP Relay 再将配置信息广播给 小 C ，完成对 小 C 的动态配置。
DHCP 协议报文
前面的内容有提到 DHCP 的一些报文类型，现在讲讲 DHCP 主要的 8 种报文类型。常见的 5 种报文类型有：DHCP Discover 、DHCP Offer 、DHCP Request 、DHCP Ack 和 DHCP Release ，用得少的 3 种报文类型有：DHCP Nak 、DHCP Decline 和 DHCP Inform 。
- DHCP Discover 报文
它是 DHCP Client 首次接入网络，DHCP 交互过程的第一个报文，用来寻找 DHCP Server的请求报文。 - DHCP Offer 报文
它是 DHCP Server 用来回应 DHCP Discover 报文的，并携带网络参数，包括：IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器等。 - DHCP Request 报文
它是 DHCP Client 发送的报文，有三种使用场景：
- 根据策略选择相应的 DHCP Server，并回应 DHCP Offer 报文；
- DHCP Client 非首次接入网络，直接发送 DHCP Request 报文来申请之前使用过的 IP 地址等参数；
- 当 IP 地址的租约到期后，发送 DHCP Request 进行租期更新。
- DHCP Ack 报文
它是 DHCP Server 对 DHCP Request 报文的回应报文，进行最终确认。DHCP Client 收到这个报文后，才能获得 IP 地址和相应网络参数。 - DHCP Nak 报文
它也是 DHCP Server 对 DHCP Request 报文的回应报文，当 DHCP Request 报文中的各个参数都正确时，回应 DHCP Ack 报文，否则回应 DHCP Nak 报文，告诉 DHCP Client 禁止使用获得的 IP 地址。 - DHCP Decline 报文
当 DHCP Client 收到 DHCP Ack 报文后，还会发送免费 ARP 报文，确认申请的 IP 地址是否已经在网络上使用了。如果 IP 地址已经被其它 Client 使用，那么 DHCP Client 发送 DHCP Decline 报文，拒绝分配的 IP 地址，并重新向 DHCP Server 申请地址。 - DHCP Release 报文
当 DHCP Client 想要释放获得的 IP 地址时，向 DHCP Server 发送 DHCP Release 报文，DHCP Server 收到报文后，可将这个 IP 地址分配给其它的 Client 。 - DHCP Inform 报文
DHCP Client 通过手动方式获得 IP 地址后，还想向 DHCP Server 获取更多网络参数时，比如：默认网关地址、DNS 服务器地址，DHCP Client 就向 DHCP Server 发送 DHCP Inform 报文进行申请。
DHCP 状态机
如果把功能各异的 8 种报文串起来，就是整个 DHCP 协议交互流程。前面讲的 4 种阶段（发现、提供、请求、确认）不能完全展现出来，这就需要使用 DHCP 协议的状态机。状态指出下一步使用的报文类型，状态转换是通过报文的接收、发送或超时。下面是 Client 的状态机。
Client 从 INIT 状态开始，广播 DHCP Discover 报文。在选择状态时，它收到 DHCP Offer 报文，并决定使用哪个地址和 Server 。做出选择后，通过 DHCP Request 报文进入请求状态。如果分配的地址和曾使用过的地址不一致，那么回应 DHCP Nak 报文进行拒绝，并返回 INIT 状态；如果分配的地址已经被占用，那么回应 DHCP Decline 报文进行拒绝，也返回到 INIT 状态。通常是收到一个需要的地址，回应 DHCP Ack 报文，获得租期超时值 T1 和 T2 ，并进入绑定状态，这个时候就可以使用这个地址直到租期到期。当 T1 到期时，进入更新状态并进行续租申请。如果续租成功，那么可以收到 DHCP Ack 报文，并返回到绑定状态；如果续租不成功，那么在 T2 到期时，再次进行续租申请。如果租期最终到期，那么 Client 将禁止使用所租用的地址，并返回到 INIT 状态。
DHCP 网络实战
DHCP 协议是为解决网络问题而生，现在我们就来模拟实际环境，动手操作，验证下 DHCP 的功能。
DHCP Server 示例
网络拓扑
实验要求
- RT（路由器）配置 DHCP Server ，PC 动态获取 IP 地址等网络参数。
操作步骤
配置思路：
- 在 RT 上开启 DHCP 功能。
- 创建一个地址池。
- 配置地址池的相关参数。
- 在 RT 的接口下引用地址池，实现 DHCP Server 功能。
配置命令：
使用 DHCP 功能之前，先要开启 DHCP 功能。系统视图下，使用命令 dhcp enable 启动 DHCP 功能。
动态分配 IP 地址，就需要有多个可分配的 IP 地址，使用 ip pool ip-pool-name 命令来创建全局地址池，ip-pool-name 表示地址池的名称。
在全局地址池视图下，通过命令 network ip-address [ mask { mask | mask-length } ] 配置可分配的 IP 地址段。mask { mask | mask-length } 表示子网掩码，通常根据设备数量来确定掩码长度。
有了 IP 地址和子网掩码，再加上默认网关，终端设备就能网络互通了。在全局地址池视图下，使用命令 gateway-list ip-address 配置网关 IP 地址。
网络互通，还不能正常访问网站，需要配置 DNS 服务器，用于域名解析。在全局地址池视图下，使用 dns-list ip-address 配置 DNS 服务器的 IP 地址。
地址池配置中，常用的可选命令如下，可根据需求进行选择性设置。
lease { day day [ hour hour [ minute minute ] ] | unlimited } ：配置 IP 地址的租期，默认租期是 1 天。
excluded-ip-address start-ip-address [ end-ip-address ] ：在可分配的地址池中，设置不分配的 IP 地址。比如：地址池是 192.168.100.0/24 ，可设置 192.168.100.1 - 192.168.100.10 不参与地址分配。
static-bind ip-address ip-address mac-address mac-address ：为 Client 固定分配一个 IP 地址。
配置完地址池，还需要进行引用，DHCP Server 功能就能正常使用了。在 RT 的接口下配置引用，命令为 dhcp select global 。
功能验证
配置完成后，理论上是 DHCP 功能正常工作了，实际情况的话，可通过命令 display ip pool name pool-name used，查看地址池的配置情况，和地址分配情况。
在 RT 上查看 DHCP Server 地址分配状态。
同时也在 PC 上查看动态获取地址情况，进行双向验证。
抓包还可以看到 DHCP 报文交互的详细过程，同时也是检验理论知识是否正确。
这里我们发现抓包看到的是 DHCP Offer 单播报文，而前面介绍的时候，DHCP Offer 是广播报文。其实 DHCP Offer 报文有可能是单播，也有可能是广播。DHCP 在报文的标志字段有一个广播位，如果 Client 支持接收 Offer 单播报文，那么 Client 就会将发送报文中的广播位设为 0 ，否则为 1 。
DHCP Relay 示例
网络拓扑
实验要求
- DHCP Client 和 DHCP Server 在不同网段，DHCP Client 通过 DHCP Relay 获取到 IP 地址等网络参数。
操作步骤
- PC（ DHCP Client ）开启 DHCP 功能。
- RT1（ DHCP Relay ）使用 dhcp select relay 命令开启 DHCP Relay 功能，在 G0/0/1 口下使用 dhcp relay server-ip ip-address 命令，配置 DHCP Server 的 IP 地址。
- RT2（DHCP Server）开启 DHCP 功能，创建地址池并配置相关参数，在接口下引用地址池，实现 DHCP Server 功能。
功能验证
PC 端能获取到 IP 配置，并且获取的配置正确。
在 RT1 的 G0/0/1 抓包，查看 DHCP Client 和 DHCP Relay 的报文交互过程。
在 RT1 的 G0/0/0 抓包，查看 DHCP Server 和 DHCP Relay 的报文交互过程。
DHCP 报文格式
如果想要更深入的了解 DHCP 协议，那就要看它的报文格式。DHCP 设备通过识别报文内容，实现协议功能。
- op（操作类型）：表示报文的格式。当值为 1 时，表示客户端的请求报文；当值为 2 时，表示服务器的响应报文。
- htype（硬件类型）：不同的硬件类型取不同的值，最常见的以太网，值是 1 。
- hlen（硬件地址长度）：表示硬件地址长度，以太网的值是 6 ，也就是 MAC 地址的长度。
- hops（跳数）：DHCP 报文经过的 DHCP 中继的数量。
- xid（交互 ID ）：DHCP 客户端取的随机值，收到 DHCP 服务器的响应报文时，查看 xid 值是否相同，来判断报文是否是发送给自己的。
- secs（客户端启动秒数）：记录 IP 地址的使用时间。
- flags（标志）：广播响应标志位，当值为 0 时，表示服务器以单播形式发送响应报文；当值为 1 时，服务器以广播形式发送响应报文。
- ciaddr（客户端 IP 地址）：客户端的 IP 地址，可以是分配的地址，也可以是正在使用的地址，还可以是的 0.0.0.0 。0.0.0.0 是客户端初始状态没有地址的时候，仅用于临时通信，不是有效的地址。
- yiaddr（你的 IP 地址）：当服务器发送响应报文时，将分配给客户端的 IP 地址填入这个字段。
- siaddr（服务器 IP 地址）：用来标识服务器的 IP 地址。
- giaddr（中继设备 IP 地址）：表示 DHCP 中继的 IP 地址，服务器通过识别这个字段来判断出客户端的网段地址，从而选择合适的地址池，为客户端分配该网段的 IP 地址。
- chaddr（客户端硬件地址）：用来标识客户端的硬件地址，当客户端发送广播发现报文时，这个字段就是自己的硬件地址。
- sname（服务器名）：可选项，DHCP 服务器填写这个字段。
- file（引导文件名）：可选项，DHCP 服务器填写这个字段。
- options（可选项）：可选项，DHCP 客户端获取网络参数，DHCP 服务器提供网络参数，都是使用的这个字段。内容有很多，例如：租期、子网掩码、默认网关地址、DNS 服务器地址等。
拿着 DHCP 报文格式，就可以看懂抓包获取的报文内容。
DHCP Discover 报文：
DHCP Offer 报文：
DHCP Request 报文：
DHCP Ack 报文：
