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DHCP协议说明及报文分析

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1 month ago

DHCP几个概念:

DHCP Client:DHCP客户端,通过DHCP协议请求IP地址的客户端。DHCP客户端是接口级的概念,如果一个主机有多个以太接口,则该主机上的每个接口都可以配置成一个DHCP 客户端。交换机上每个Vlan接口也可以配置成一个DHCP客户端。

DHCP Server:DHCP 服务端,负责为DHCP客户端提供IP地址,并且负责管理分配的IP地址。

DHCP Relay:DHCP中继器,DHCP客户端跨网段申请IP地址的时候,实现DHCP报文的转发功能。

DHCP Security:DHCP安全特性,实现合法用户IP地址表的管理功能

DHCP Snooping:DHCP监听,记录通过二层设备申请到IP地址的用户信息

DHCP工作原理:

发现阶段:

即DHCP客户端寻找DHCP服务端的过程,对应于客户端发送DHCP Discovery,因为DHCP Server对应于DHCP客户端是未知的,所以DHCP 客户端发出的DHCP Discovery报文是广播包,源地址为0.0.0.0目的地址为255.255.255.255。网络上的所有支持TCP/IP的主机都会收到该DHCP Discovery报文,但是只有DHCP Server会响应该报文。

如果网络中存在多个DHCP Server,则多个DHCP Server均会回复该DHCP Discovery报文。

如果同一个vlan内没有DHCP Server,而该VlanIf配置了DHCP Relay功能,则该Vlanif即为DHCP中继,DHCP中继会将该DHCP报文的源IP地址修改为该Vlanif的IP地址,而目的地址则为DHCP Relay配置的DHCP Server的IP地址。同时修改DHCP报文中,giaddr为VlanIf的IP地址。并以单播将DHCP Discovery发送到DHCP Server端。

DHCP Server 提供阶段:

DHCP Server提供阶段,即为DHCP Server响应DHCP Discovery所发的DHCP Offer阶段

DHCP Server收到DHCP Discovery报文后,解析该报文请求IP地址所属的Subnet。并从dhcpd.conf文件中与之匹配的subnet中取出一个可用的IP地址(从可用地址段选择一个IP地址后,首先发送ICMP报文来ping该IP地址,如果收到该IP地址的ICMP报文,则抛弃该IP地址,重新选择IP地址继续进行ICMP报文测试,直到找到一个网络中没有人使用的IP地址,用以达到防治动态分配的IP地址与网络中其他设备IP地址冲突,这个IP地址冲突检测机制,可配置),设置在DHCP Discovery报文中yiaddress字段中,表示为该客户端分配的IP地址,并且为该Lease设置该Subnet配置的Option,例如默认leases租期,最大租期,router等信息。

DHCP从地址池中选择IP地址,以如下优先级进行选择:

1、当前已经存在的Ip Mac的对应关系

2、Client以前的IP地址

3、读取Discovery报文中的Requested Ip Address Option的值,如果存在并且IP地址可用

4、从配置的Subnet中选择IP地址:

DHCP Server解析DHCP Discovery请求的IP所属的Subnet,首先看该DHCP Discovery报文中giaddr是否有DHCP Relay,如果有,则从giaddr所述的subnet中可用IP地址段中获取,并分配IP。如果giaddr没有IP地址,则从该DHCP Server绑定的接口的IP地址所属的网段分配IP地址。

DHCP Client 选择阶段:

DHCP Client收到若干个DHCP Server响应的DHCP Offer报文后,选择其中一个DHCP Server作为目标DHCP Server。选择策略通常为选择第一个响应的DHCP Offer报文所属的DHCP Server。

然后以广播方式回答一个DHCP Request报文,该报文中包含向目标DHCP请求的IP地址等信息。之所以是以广播方式发出的,是为了通知其他DHCP Server自己将选择该DHCP Server所提供的IP地址。

DHCP Server确认阶段:

当DHCP Server收到DHCP Client发送的DHCP Request后,确认要为该DHCP Client提供的IP地址后,便想该DHCP Client响应一个包含该IP地址以及其他Option的报文,来告诉DHCP Client可以使用该IP地址了。然后DHCP Client即可以将该IP地址与网卡绑定。另外其他DHCP Server都将收回自己之前为DHCP Client提供的IP地址。

DHCP Client重新登录网络:

当DHCP Client重新登录后,发送一个以包含之前DHCP Server分配的IP地址信息的DHCP Request报文,当DHCP Server收到该请求后,会尝试让DHCP客户端继续使用该IP地址。并回答一个ACK报文。

但是如果该IP地址无法再次分配给该DHCP Client后,DHCP回复一个NAK报文,当DHCP Client收到该NAK报文后,会重新发送DHCP Discovery报文来重新获取IP地址。

DHCP Client更新租约:

DHCP获取到的IP地址都有一个租约,租约过期后,DHCP Server将回收该IP地址,所以如果DHCP Client如果想继续使用该IP地址,则必须更新器租约。更新的方式就是,当当前租约期限过了一半后,DHCP Client都会发送DHCP Renew报文来续约租期。

客户机会在租期过去50%的时候,直接向为其提供IP地址的DHCP Server发送DHCP REQUEST消息包。如果客户机接收到该服务器回应的DHCP ACK消息包,客户机就根据包中所提供的新的租期以及其它已经更新的TCP/IP参数,更新自己的配置,IP租用更新完成。如果没有收到该服务器的回复,则客户机继续使用现有的IP地址,因为当前租期还有50%。

如果在租期过去50%的时候没有更新,则客户机将在租期过去87.5%的时候再次向为其提供IP地址的DHCP联系。如果还不成功,到租约的100%时候,客户机必须放弃这个IP地址,重新申请。如果此时无DHCP可用,客户机会使用169.254.0.0/16中随机的一个地址,并且每隔5分钟再进行尝试。

DHCP动态主机配置协议的作用我想作为网管的兄弟们都应该知道了,这里我就不多废话了,今天我要谈的是DHCP的工作过程,了解了工作过程,要排除故障就容易了。

一、DHCP客户机初始化:

1. 寻找DHCP Server。

当DHCP客户机第一次登录网络的时候(也就是客户机上没有任何IP地址数据时),它会通过UDP 67端口向网络上发出一个DHCPDISCOVER数据包(包中包含客户机的MAC地址和计算机名等信息)。因为客户机还不知道自己属于哪一个网络,所以封包的源地址为0.0.0.0,目标地址为255.255.255.255,然后再附上DHCP discover的信息,向网络进行广播。

DHCP discover的等待时间预设为1秒,也就是当客户机将第一个DHCP discover封包送出去之后,在1秒之内没有得到回应的话,就会进行第二次DHCP discover广播。若一直没有得到回应,客户机会将这一广播包重新发送四次(以2,4,8,16秒为间隔,加上1-1000毫秒之间随机长度的时间)。如果都没有得到DHCP Server的回应,客户机会从169.254.0.0/16这个自动保留的私有IP地址中选用一个IP地址。并且每隔5分钟重新广播一次,如果收到某个服务器的响应,则继续IP租用过程。

2. 提供IP地址租用

当DHCP Server监听到客户机发出的DHCP discover广播后,它会从那些还没有租出去的地址中,选择最前面的空置IP,连同其它TCP/IP设定,通过UDP 68端口响应给客户机一个DHCP OFFER数据包(包中包含IP地址、子网掩码、地址租期等信息)。此时还是使用广播进行通讯,源IP地址为DHCP Server的IP地址,目标地址为255.255.255.255。同时,DHCP Server为此客户保留它提供的IP地址,从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。

由于客户机在开始的时候还没有IP地址,所以在其DHCP discover封包内会带有其MAC地址信息,并且有一个XID编号来辨别该封包,DHCP Server响应的DHCP OFFER封包则会根据这些资料传递给要求租约的客户。

3. 接受IP租约

如果客户机收到网络上多台DHCP服务器的响应,只会挑选其中一个DHCP OFFER(一般是最先到达的那个),并且会向网络发送一个DHCP REQUEST广播数据包(包中包含客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器地址等),告诉所有DHCP Server它将接受哪一台服务器提供的IP地址,所有其他的DHCP服务器撤销它们的提供以便将IP地址提供给下一次IP租用请求。此时,由于还没有得到DHCP Server的最后确认,客户端仍然使用0.0.0.0为源IP地址,255.255.255.255为目标地址进行广播。

事实上,并不是所有DHCP客户机都会无条件接受DHCP Server的OFFER,特别是如果这些主机上安装有其它TCP/IP相关的客户机软件。客户机也可以用DHCP REQUEST向服务器提出DHCP选择,这些选择会以不同的号码填写在DHCP Option Field里面。客户机可以保留自己的一些TCP/IP设定。

4. 租约确认

当DHCP Server接收到客户机的DHCP REQUEST之后,会广播返回给客户机一个DHCP ACK消息包,表明已经接受客户机的选择,并将这一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入该广播包发给客户机。

客户机在接收到DHCP ACK广播后,会向网络发送三个针对此IP地址的ARP解析请求以执行冲突检测,查询网络上有没有其它机器使用该IP地址;如果发现该IP地址已经被使用,客户机会发出一个DHCP DECLINE数据包给DHCP Server,拒绝此IP地址租约,并重新发送DHCP discover信息。此时,在DHCP服务器管理控制台中,会显示此IP地址为BAD_ADDRESS。

如果网络上没有其它主机使用此IP地址,则客户机的TCP/IP使用租约中提供的IP地址完成初始化,从而可以和其他网络中的主机进行通讯。

图解DHCP的4步租约过程

DHCP租约过程就是DHCP客户机动态获取IP地址的过程。

DHCP租约过程分为4步:

客户机请求IP(客户机发DHCPDISCOVER广播包);

服务器响应(服务器发DHCPOFFER广播包);

客户机选择IP(客户机发DHCPREQUEST广播包);

服务器确定租约(服务器发DHCPACK/DHCPNAK广播包)。

详解4步租约过程:

第1步:客户机请求IP

客户机请求IP也称为DHCPDISCOVER。

当一个DHCP客户机启动时,会自动将自己的IP地址配置成0.0.0.0,由于使用0.0.0.0不能进行正常通信,所以客户机就必须通过DHCP服务器来获取一个合法的地址。由于客户机不知道DHCP服务器的IP地址,所以它使用0.0.0.0的地址作为源地址,使用UDP68端口作为源端口,使用255.255.255.255作为目标地址,使用UDP67端口作为目的端口来广播请求IP地址信息(见图一)。广播信息中包含了DHCP客户机的MAC地址和计算机名,以便使DHCP服务器能确定是哪个客户机发送的请求。

DHCP客户机总是试图重新租用它接收过的最后一个IP地址,这给网络带来一定的稳定性。

因为此时,DHCP客户端没有分配到IP地址,也不知道DHCP服务器或DHCP中继的IP地址,所以在DHCP DISCOVER报文中Ciaddr(客户端IP地址)、Yiaddr(被分配的DHCP客户端IP地址)、Siaddr(下一个为DHCP客户端分配IP地址的DHCP服务器地址)、Giaddr(DHCP中继IP地址)这四个字段均为0.0.0.0,如下所示。另外,从中可以看到,在CHADDR字段和DHCP选项中Client Identifier字段中都标识了DHCP客户端网卡MAC地址。

图一:客户机请求IP

第2步:服务器响应

服务器响应也称为DHCPOFFER。

当DHCP服务器接收到客户机请求IP地址的信息时,它就在自己的IP地址池中查找是否有合法的IP地址提供给客户机。如果有,DHCP服务器就将此IP地址做上标记,加入到DHCPOFFER的消息中,然后DHCP服务器就广播一则包括下列信息的DHCPOFFER消息:

DHCP客户机的MAC地址;DHCP服务器提供的合法IP地址;子网掩码;默认网关(路由);租约的期限;DHCP服务器的IP地址。

因为DHCP客户机还没有IP地址,所以DHCP服务器使用自己的IP地址作为源地址,使用UDP67端口作为源端口,使用255.255.255.255作为目标地址,使用UDP68端口作为目的端口来广播DHCPOFFER信息(见图二)。

图二:服务器响应

第3步:客户机选择IP

客户机选择IP,也称为DHCPREQUEST。

DHCP客户机从接收到的第一个DHCPOFFER消息中选择IP地址,发出IP地址的DHCP服务器将该地址保留,这样该地址就不能提供给另一个DHCP客户机。当客户机从第一个DHCP服务器接收DHCPOFFER并选择IP地址后,DHCP租约的第三过程发生。客户机将DHCPREQUEST消息广播到所有的DHCP服务器,表明它接受提供的内容。DHCPREQUEST消息包括为该客户机提供IP配置的服务器的服务标识符(IP地址)。DHCP服务器查看服务器标识符字段,以确定它自己是否被选择为指定的客户机提供IP地址,如果那些DHCPOFFER被拒绝,则DHCP服务器会取消提供并保留其IP地址以用于下一个IP租约请求。

在客户机选择IP的过程中,虽然客户机选择了IP地址,但是还没有配置IP地址,而在一个网络中可能有几个DHCP服务器,所以客户机仍然使用0.0.0.0的地址作为源地址,使用UDP68端口作为源端口,使用255.255.255.255作为目标地址,使用UDP67端口作为目的端口来广播DHCPREQUEST信息(见图三)。

图三:客户机选择IP

第4步:服务器确认租约

服务器确认租约,也称为DHCPACK/DHCPNAK。

DHCP服务器接收到DHCPREQUEST消息后,以DHCPACK消息的形式向客户机广播成功的确认,该消息包含有IP地址的有效租约和其他可能配置的信息。虽然服务器确认了客户机的租约请求,但是客户机还没有收到服务器的DHCPACK消息,所以服务器仍然使用自己的IP地址作为源地址,使用UDP67端口作为源端口,使用255.255.255.255作为目标地址,使用UDP68端口作为目的端口来广播DHCPACK信息(见图四)。当客户机收到DHCPACK消息时,它就配置了IP地址,完成了TCP/IP的初始化。

如果DHCPREQUEST不成功,例如客户机试图租约先前的IP地址,但该IP地址不再可用,或者因为客户机移到其他子网,该IP无效时,DHCP服务器将广播否定确认消息DHCPNAK。当客户机接收到不成功的确认时,它将重新开始DHCP租约过程

如果DHCP客户机无法找到DHCP服务器,它将从TCP/IP的B类网段169.254.0.0中挑选一个IP地址作为自己的IP地址,继续每隔5分钟尝试与DHCP服务器进行通讯,一旦与DHCP服务器取得联系,则客户机放弃自动配置的IP地址,而使用DHCP服务器分配的IP地址。

如果一台DHCP客户机有两个或者多个网卡,则DHCP服务器会为每个网卡分配一个唯一而有效的IP地址。

图四:服务器确认租约

图五:DHCP服务器日志

注:因为是虚拟机,所以这个DHCP服务器的系统时间有些问题

图六:DHCP客户机IP信息

可以看到客户端获取的IP地址是192.168.1.34;默认网关是192.168.1.10;DHCP服务器IP是192.168.1.240;租约时间是6个小时。

DHCP消息类型
1 DHCPDISCOVER 
2 DHCPOFFER 
3 DHCPREQUEST 
4 DHCPDECLINE 
5 DHCPACK 
6 DHCPNACK 
7 DHCPRELEASE
8 DHCPINFORM

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