關于DHCP工作過程的討論

吳琛

摘 要：隨著互聯(lián)網的普及，人們工作、學習和生活都與網絡的聯(lián)系越來越緊密，搭建了許多不同的網絡，比如企業(yè)網、校園網和城區(qū)網等。網絡管理是大型計算機網絡成功的關鍵，利用動態(tài)主機分配協(xié)議（DHCP）服務已經相當流行，DHCP的運用也越來越被重視。在實際操作過程中， DHCP服務器的構建也越來越常見。采用DHCP技術動態(tài)地為主機配置參數(shù)，可以有效解決目前IP地址資源不足和用戶移動性等問題，并能減輕大型網絡管理員的工作量，減少手工網絡配置的錯誤，可以快速搭建一個大型網絡或修改其網絡配置。通過Sniffer軟件捕捉DHCP數(shù)據(jù)包，詳細討論了DHCP的工作過程。

關鍵詞：互聯(lián)網；DHCP；IP地址；MAC地址

中圖分類號：TP393.071 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）07-0138-03

1 DHCP介紹

隨著計算機的普及，現(xiàn)代生活朝著網絡化、信息化的方向發(fā)展，無論在學習、生活還是科研應用等領域，都離不開網絡。在這個網絡時代，網上溝通與交流已經成為人們不可分割的一部分。要實現(xiàn)這些網上交流，網絡協(xié)議是必不可少的。各客戶端之間的交流必須要通過服務器來進行，服務器在管理眾多客戶時，通過發(fā)放IP地址來為客戶提供上網服務，使客戶可以輕松地在網上暢游。但是，對管理員而言，如果需要一個一個地在客戶端上設置IP地址，對大中型網絡來說，其繁重的工作量是不可想象的，無法令人承受。那么，怎么解決這個問題呢？DHCP便應運而生了。DHCP可以幫助管理員自動將IP地址分配給每一個發(fā)出申請的用戶，而不需要管理員對每一個客戶端進行手動設置，這為管理員對網絡的管理提供了極大的便利，在減輕了管理員工作強度的同時，還大大提高了工作效率。

TCP/IP網絡中的每個主機都需要一個IP地址，網絡中的主機通過IP地址通信。關于IP地址及其相關配置，可通過以下兩種方式獲得：手工配置和自動獲得。

如果網絡主機數(shù)目較少，可手工為網絡中的主機分配IP地址。但在某些情況下，網絡管理員手工為每臺計算機分配IP地址時，就顯得力不從心，這就需要動態(tài)IP地址方案。在該方案中，每臺主機并不設定靜態(tài)IP地址，而是在開機時被分配IP地址，所以，這臺計算機就被稱為DHCP客戶端。在網絡中提供DHCP服務的計算機被稱為是DHCP服務器。DHCP服務器為網絡中的計算機動態(tài)分配IP地址，并提供子網掩碼、默認網關和DNS服務器的IP地址等。

通過DHCP服務，可以減少管理員的工作量，還可避免IP地址的沖突。要想大批量配置計算機的IP地址和相關設置，只要在DHCP服務器上設置即可，管理員不必對每一臺計算機都進行配置。

2 DHCP的使用場合

需要使用DHCP服務的場合有以下幾種：①網絡規(guī)模較大，網絡中的主機數(shù)很多，要在網絡中增刪主機或重新配置網絡時，使用手工分配的工作量會很大，而且容易出錯，比如會導致IP地址沖突等。②網絡中的主機多，而IP地址不夠用，此時，可使用DHCP服務器解決這一問題。例如網絡上有100臺主機，采用靜態(tài)地址方案時，每個主機都要分配一個IP地址，總共需要100個IP地址。然而，這100臺主機并不同時開機，甚至可能只有20臺同時開機，這樣就浪費了80個IP地址。這種情況對Internet服務提供商（ISP）來說更為嚴重。如果ISP有10 000個用戶，是否需要10 000個IP地址？解決這個問題的最好方法就是使用動態(tài)地址方案，即DHCP。③移動客戶要在不同子網中移動時，就需要獲得不同子網的IP地址，DHCP服務可以有效解決這一問題。隨著移動辦公的普及，當計算機在不同子網移動時，需要改變IP地址，并且移動的計算機需要在每個網絡中都占用1個IP地址。

3 DHCP工作過程

該實驗的網絡拓撲如圖1所示。

路由器R1為DHCP服務器，R2為DHCP客戶端。在PC上安裝Sniffer軟件，通過捕獲DHCP數(shù)據(jù)包，分析IP地址獲取的全過程。

3.1 捕獲包

為了便于分析，把計算機連接到1臺單獨的交換機上，關閉計算機上無關的應用程序，這樣做的目的是僅捕獲相關的包。

運行R1和R2，R1的配置如下：

Router>en

Router#conf t

Router（config）#host R1

R1（config）#int fa0/0

R1（config-if）#ip address 192.168.0.1 255.255.255.0

R1（config-if）#no shut

R1（config-if）#exit

//接下來這段是DHCP服務器的配置

R1（config）#ip dhcp excluded-address 192.168.0.1 //把R1排除出地址池

R1（config）#ip dhcp excluded-address 192.168.0.2 //把PC排除出地址池

R1（config）#ip dhcp pool nat-pool //配置DHCP地址池

R1（dhcp-config）#network 192.168.0.0 255.255.255.0 //要配置的網段

R1（dhcp-config）#default-router 192.168.0.1 //要配置的網關

R1（dhcp-config）#dns-server 218.2.135.1 //要配置的DNS服務器

R2的配置如下：

Router>en

Router#conf t.

Router（config）#host R2

R2（config）#int fa0/0

R2（config-if）#ip address dhcp

注意：先不要打開R2的Fa0/0端口。

運行Sniffer軟件，開始抓包。打開R2的Fa0/0端口。當R2的屏幕出現(xiàn)以下所示的信息時，停止Sniffer的包捕獲。

R2（config）#int fa0/0

R2（config-if）#ip address dhcp

R2（config-if）#

R2（config-if）#no sh

R2（config-if）#

*Mar 22 13：21：59.555： %LINK-3-UPDOWN： Interface FastEthernet0/0，changed state to up

*Mar 22 13：21：59.555： %ENTITY_ALARM-6-INFO： CLEAR INFO Fa0/0 Physical Port Administrative State Down

*Mar 22 13：22：00.555： %LINEPROTO-5-UPDOWN： Line protocol on Interface FastEthernet0/0， changed state to up

*Mar 22 13：22：09.267： %DHCP-6-ADDRESS_ASSIGN： Interface FastEthernet0/0 assigned DHCP address 192.168.0.5，mask 255.255.255.0，hostname R2

Sniffer捕獲的包如圖2所示。這里捕獲的包保存在sniffer-dhcp.cap文件中，如果計算機上還有其他的應用程序包，可能會夾雜其他的數(shù)據(jù)包，但圖中顯示的數(shù)據(jù)包應該都在。

3.2 分析包

當DHCP客戶端登錄進入網絡時，通過以下步驟獲取IP地址。

DHCP客戶端（R2）先發(fā)送DHCP Discover信息。如圖2所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是“ca08.0974.0000”，即路由器R2 Fa0/0端口的MAC，目的MAC地址是“FFFFFFFFFFFF”，廣播MAC地址，因為客戶端現(xiàn)在還并不知道DHCP服務器的MAC地址；源IP地址是“0.0.0.0”，因為路由器R2現(xiàn)在還沒有IP地址，目的IP地址是“255.255.255.255”，因為客戶端現(xiàn)在還并不知道DHCP服務器的IP地址；DHCP使用的是UDP協(xié)議，客戶端的端口號是68，服務器端的端口號是67；數(shù)據(jù)包的用途是“DHCP Discover”。

R1（DHCP服務器）收到R2（DHCP客戶端）廣播的DHCP Discover報文后，它發(fā)現(xiàn)DHCP地址池中的IP地址“192.168.0.5”可以被租用。R1在提供地址前，先要發(fā)送一個ARP查詢包，查詢該地址是否已被使用，如果收到ARP應答包，則表明該地址已被使用，R1會從地址池中換一個地址再試；如果沒有收到ARP應答，表明該地址未被使用。如圖3所示，ARP查詢包也是一個廣播包，源MAC地址“cc07.0974.0000”，即R1的Fa0/0端口的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為要向全網查詢；源IP地址是192.168.0.1，目的IP地址是192.168.0.5.

R1向R2發(fā)送DHCP Offer報文，其中包括要租用的IP地址。如圖4所示，該數(shù)據(jù)包源MAC地址為“cc07.0974.0000”，即R1的Fa0/0端口的MAC地址，目的MAC地址是廣播MAC地址，因為DHCP服務器要通知網絡上的其他DHCP服務器，該地址已被使用。源IP地址是R1的IP地址“192.168.0.1”，目的IP地址是廣播地址，因為此時R2仍沒有IP地址。DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口變成了67，目的端口是68；DHCP Offer中包含了要分配客戶端的IP地址和客戶端的MAC地址；該數(shù)據(jù)包的用途是DHCP Offer。

如果沒有DHCP服務器對客戶端的請求進行響應，則客戶端就無法獲得IP地址，初始化失敗。但客戶端會每隔一段時間發(fā)送幾個DHCP Discover報文，直到收到DHCP Offer。如果是Windows的客戶端，在多次嘗試失敗后，客戶端將被分配1個169.254.0.0/16網段的IP地址，但客戶端仍會繼續(xù)嘗試聯(lián)系DHCP服務器，一旦獲得DHCP Offer，客戶端便會使用新獲得的IP地址替換169.254.0.0/16網段的IP地址。

R2收到DHCP Offer報文后，發(fā)送DHCP Request租約選擇報文到服務器，表示它將使用所提供的IP地址。如圖5所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是R2的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為客戶端要通知網絡上的其他DHCP服務器該地址已使用，以避免IP地址沖突。源IP地址是“0.0.0.0”，目的IP地址是“255.255.255.255”。DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口是68，目的端口是67；DHCP Request包含了DHCP服務器和客戶端要使用的IP地址；該數(shù)據(jù)包的用途是DHCP Request。

R1收到DHCP租約選擇信息后，發(fā)送DHCP Ack確認信息，以確定此租約的 成立。如圖6所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是R1的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為DHCP服務器要通知網絡上的其他DHCP服務器該地址已被使用，以避免IP地址沖突。源IP地址是R1的IP地址，目的IP地址是廣播地址，因為此時客戶端仍沒有IP地址；DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口是67，目的端口是68.除了DHCP服務器地址、要提供的IP地址和客戶端的MAC地址外，DHCP Ack報文中還包含其他DHCP選項信息，比如子網掩碼、默認網關、DNS服務器等。

客戶端收到DHCP Ack信息后，利用其中的信息配置它的TCP/IP屬性，并發(fā)送一個ARP Reply報文。該報文如圖7所示，源MAC地址為R2的MAC地址，目的MAC為廣播MAC地址，因為它要通知網絡上的其他設備該IP地址已被使用，以免IP地址沖突；ARP Reply包的源IP地址和目的IP地址都是192.168.0.5.

綜上所述，DHCP的工作過程如圖8所示，即IP租約請求—IP租約提供—IP租約選擇—IP租約確認。

〔編輯：白潔〕

Router（config）#host R2

R2（config）#int fa0/0

R2（config-if）#ip address dhcp

注意：先不要打開R2的Fa0/0端口。

運行Sniffer軟件，開始抓包。打開R2的Fa0/0端口。當R2的屏幕出現(xiàn)以下所示的信息時，停止Sniffer的包捕獲。

R2（config）#int fa0/0

R2（config-if）#ip address dhcp

R2（config-if）#

R2（config-if）#no sh

R2（config-if）#

*Mar 22 13：21：59.555： %LINK-3-UPDOWN： Interface FastEthernet0/0，changed state to up

*Mar 22 13：21：59.555： %ENTITY_ALARM-6-INFO： CLEAR INFO Fa0/0 Physical Port Administrative State Down

*Mar 22 13：22：00.555： %LINEPROTO-5-UPDOWN： Line protocol on Interface FastEthernet0/0， changed state to up

*Mar 22 13：22：09.267： %DHCP-6-ADDRESS_ASSIGN： Interface FastEthernet0/0 assigned DHCP address 192.168.0.5，mask 255.255.255.0，hostname R2

Sniffer捕獲的包如圖2所示。這里捕獲的包保存在sniffer-dhcp.cap文件中，如果計算機上還有其他的應用程序包，可能會夾雜其他的數(shù)據(jù)包，但圖中顯示的數(shù)據(jù)包應該都在。

3.2 分析包

當DHCP客戶端登錄進入網絡時，通過以下步驟獲取IP地址。

DHCP客戶端（R2）先發(fā)送DHCP Discover信息。如圖2所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是“ca08.0974.0000”，即路由器R2 Fa0/0端口的MAC，目的MAC地址是“FFFFFFFFFFFF”，廣播MAC地址，因為客戶端現(xiàn)在還并不知道DHCP服務器的MAC地址；源IP地址是“0.0.0.0”，因為路由器R2現(xiàn)在還沒有IP地址，目的IP地址是“255.255.255.255”，因為客戶端現(xiàn)在還并不知道DHCP服務器的IP地址；DHCP使用的是UDP協(xié)議，客戶端的端口號是68，服務器端的端口號是67；數(shù)據(jù)包的用途是“DHCP Discover”。

R1（DHCP服務器）收到R2（DHCP客戶端）廣播的DHCP Discover報文后，它發(fā)現(xiàn)DHCP地址池中的IP地址“192.168.0.5”可以被租用。R1在提供地址前，先要發(fā)送一個ARP查詢包，查詢該地址是否已被使用，如果收到ARP應答包，則表明該地址已被使用，R1會從地址池中換一個地址再試；如果沒有收到ARP應答，表明該地址未被使用。如圖3所示，ARP查詢包也是一個廣播包，源MAC地址“cc07.0974.0000”，即R1的Fa0/0端口的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為要向全網查詢；源IP地址是192.168.0.1，目的IP地址是192.168.0.5.

R1向R2發(fā)送DHCP Offer報文，其中包括要租用的IP地址。如圖4所示，該數(shù)據(jù)包源MAC地址為“cc07.0974.0000”，即R1的Fa0/0端口的MAC地址，目的MAC地址是廣播MAC地址，因為DHCP服務器要通知網絡上的其他DHCP服務器，該地址已被使用。源IP地址是R1的IP地址“192.168.0.1”，目的IP地址是廣播地址，因為此時R2仍沒有IP地址。DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口變成了67，目的端口是68；DHCP Offer中包含了要分配客戶端的IP地址和客戶端的MAC地址；該數(shù)據(jù)包的用途是DHCP Offer。

如果沒有DHCP服務器對客戶端的請求進行響應，則客戶端就無法獲得IP地址，初始化失敗。但客戶端會每隔一段時間發(fā)送幾個DHCP Discover報文，直到收到DHCP Offer。如果是Windows的客戶端，在多次嘗試失敗后，客戶端將被分配1個169.254.0.0/16網段的IP地址，但客戶端仍會繼續(xù)嘗試聯(lián)系DHCP服務器，一旦獲得DHCP Offer，客戶端便會使用新獲得的IP地址替換169.254.0.0/16網段的IP地址。

R2收到DHCP Offer報文后，發(fā)送DHCP Request租約選擇報文到服務器，表示它將使用所提供的IP地址。如圖5所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是R2的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為客戶端要通知網絡上的其他DHCP服務器該地址已使用，以避免IP地址沖突。源IP地址是“0.0.0.0”，目的IP地址是“255.255.255.255”。DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口是68，目的端口是67；DHCP Request包含了DHCP服務器和客戶端要使用的IP地址；該數(shù)據(jù)包的用途是DHCP Request。

R1收到DHCP租約選擇信息后，發(fā)送DHCP Ack確認信息，以確定此租約的 成立。如圖6所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是R1的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為DHCP服務器要通知網絡上的其他DHCP服務器該地址已被使用，以避免IP地址沖突。源IP地址是R1的IP地址，目的IP地址是廣播地址，因為此時客戶端仍沒有IP地址；DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口是67，目的端口是68.除了DHCP服務器地址、要提供的IP地址和客戶端的MAC地址外，DHCP Ack報文中還包含其他DHCP選項信息，比如子網掩碼、默認網關、DNS服務器等。

客戶端收到DHCP Ack信息后，利用其中的信息配置它的TCP/IP屬性，并發(fā)送一個ARP Reply報文。該報文如圖7所示，源MAC地址為R2的MAC地址，目的MAC為廣播MAC地址，因為它要通知網絡上的其他設備該IP地址已被使用，以免IP地址沖突；ARP Reply包的源IP地址和目的IP地址都是192.168.0.5.

綜上所述，DHCP的工作過程如圖8所示，即IP租約請求—IP租約提供—IP租約選擇—IP租約確認。

〔編輯：白潔〕

Router（config）#host R2

R2（config）#int fa0/0

R2（config-if）#ip address dhcp

注意：先不要打開R2的Fa0/0端口。

運行Sniffer軟件，開始抓包。打開R2的Fa0/0端口。當R2的屏幕出現(xiàn)以下所示的信息時，停止Sniffer的包捕獲。

R2（config）#int fa0/0

R2（config-if）#ip address dhcp

R2（config-if）#

R2（config-if）#no sh

R2（config-if）#

*Mar 22 13：21：59.555： %LINK-3-UPDOWN： Interface FastEthernet0/0，changed state to up

*Mar 22 13：21：59.555： %ENTITY_ALARM-6-INFO： CLEAR INFO Fa0/0 Physical Port Administrative State Down

*Mar 22 13：22：00.555： %LINEPROTO-5-UPDOWN： Line protocol on Interface FastEthernet0/0， changed state to up

*Mar 22 13：22：09.267： %DHCP-6-ADDRESS_ASSIGN： Interface FastEthernet0/0 assigned DHCP address 192.168.0.5，mask 255.255.255.0，hostname R2

Sniffer捕獲的包如圖2所示。這里捕獲的包保存在sniffer-dhcp.cap文件中，如果計算機上還有其他的應用程序包，可能會夾雜其他的數(shù)據(jù)包，但圖中顯示的數(shù)據(jù)包應該都在。

3.2 分析包

當DHCP客戶端登錄進入網絡時，通過以下步驟獲取IP地址。

DHCP客戶端（R2）先發(fā)送DHCP Discover信息。如圖2所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是“ca08.0974.0000”，即路由器R2 Fa0/0端口的MAC，目的MAC地址是“FFFFFFFFFFFF”，廣播MAC地址，因為客戶端現(xiàn)在還并不知道DHCP服務器的MAC地址；源IP地址是“0.0.0.0”，因為路由器R2現(xiàn)在還沒有IP地址，目的IP地址是“255.255.255.255”，因為客戶端現(xiàn)在還并不知道DHCP服務器的IP地址；DHCP使用的是UDP協(xié)議，客戶端的端口號是68，服務器端的端口號是67；數(shù)據(jù)包的用途是“DHCP Discover”。

R1（DHCP服務器）收到R2（DHCP客戶端）廣播的DHCP Discover報文后，它發(fā)現(xiàn)DHCP地址池中的IP地址“192.168.0.5”可以被租用。R1在提供地址前，先要發(fā)送一個ARP查詢包，查詢該地址是否已被使用，如果收到ARP應答包，則表明該地址已被使用，R1會從地址池中換一個地址再試；如果沒有收到ARP應答，表明該地址未被使用。如圖3所示，ARP查詢包也是一個廣播包，源MAC地址“cc07.0974.0000”，即R1的Fa0/0端口的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為要向全網查詢；源IP地址是192.168.0.1，目的IP地址是192.168.0.5.

R1向R2發(fā)送DHCP Offer報文，其中包括要租用的IP地址。如圖4所示，該數(shù)據(jù)包源MAC地址為“cc07.0974.0000”，即R1的Fa0/0端口的MAC地址，目的MAC地址是廣播MAC地址，因為DHCP服務器要通知網絡上的其他DHCP服務器，該地址已被使用。源IP地址是R1的IP地址“192.168.0.1”，目的IP地址是廣播地址，因為此時R2仍沒有IP地址。DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口變成了67，目的端口是68；DHCP Offer中包含了要分配客戶端的IP地址和客戶端的MAC地址；該數(shù)據(jù)包的用途是DHCP Offer。

如果沒有DHCP服務器對客戶端的請求進行響應，則客戶端就無法獲得IP地址，初始化失敗。但客戶端會每隔一段時間發(fā)送幾個DHCP Discover報文，直到收到DHCP Offer。如果是Windows的客戶端，在多次嘗試失敗后，客戶端將被分配1個169.254.0.0/16網段的IP地址，但客戶端仍會繼續(xù)嘗試聯(lián)系DHCP服務器，一旦獲得DHCP Offer，客戶端便會使用新獲得的IP地址替換169.254.0.0/16網段的IP地址。

R2收到DHCP Offer報文后，發(fā)送DHCP Request租約選擇報文到服務器，表示它將使用所提供的IP地址。如圖5所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是R2的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為客戶端要通知網絡上的其他DHCP服務器該地址已使用，以避免IP地址沖突。源IP地址是“0.0.0.0”，目的IP地址是“255.255.255.255”。DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口是68，目的端口是67；DHCP Request包含了DHCP服務器和客戶端要使用的IP地址；該數(shù)據(jù)包的用途是DHCP Request。

R1收到DHCP租約選擇信息后，發(fā)送DHCP Ack確認信息，以確定此租約的 成立。如圖6所示，該數(shù)據(jù)包的源MAC地址是R1的MAC地址，目的MAC地址是廣播地址，因為DHCP服務器要通知網絡上的其他DHCP服務器該地址已被使用，以避免IP地址沖突。源IP地址是R1的IP地址，目的IP地址是廣播地址，因為此時客戶端仍沒有IP地址；DHCP使用的是UDP協(xié)議，源端口是67，目的端口是68.除了DHCP服務器地址、要提供的IP地址和客戶端的MAC地址外，DHCP Ack報文中還包含其他DHCP選項信息，比如子網掩碼、默認網關、DNS服務器等。

客戶端收到DHCP Ack信息后，利用其中的信息配置它的TCP/IP屬性，并發(fā)送一個ARP Reply報文。該報文如圖7所示，源MAC地址為R2的MAC地址，目的MAC為廣播MAC地址，因為它要通知網絡上的其他設備該IP地址已被使用，以免IP地址沖突；ARP Reply包的源IP地址和目的IP地址都是192.168.0.5.

綜上所述，DHCP的工作過程如圖8所示，即IP租約請求—IP租約提供—IP租約選擇—IP租約確認。

〔編輯：白潔〕