6000+字干货 | 史上最全DHCP的基本实现原理课堂笔记！

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随着网络规模的不断扩大，网络复杂度不断提升，网络中的终端设备例如主机、手机、平板等，位置经常变化。终端设备访问网络时需要配置IP地址、网关地址、DNS服务器地址等。采用手工方式为终端配置这些参数非常低效且不够灵活。

IETF于1993年发布了DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）。DHCP实现了网络参数配置的自动化，降低客户端的配置和维护成本。

小编今天介绍DHCP工作原理、应用场景和简单配置。

DHCP产生背景

手工配置网络参数存在的问题

手工配置网络参数存在以下问题：

▫灵活性差

▫容易出错

▫IP地址资源利用率低

▫工作量大

▫人员素质要求高

手工配置主机IP地址、网络掩码、网关地址、DNS服务器地址等网络参数时，需要经过地址规划、地址分配、地址配置、地址维护等复杂的操作流程。这使地址分配灵活性差，IP地址资源利用低，同时较大的工作量导致配置容易出错，对人员素质要求较高。

DHCP的基本概念

DHCP是一种用于集中对用户IP地址进行动态管理和配置的协议。

DHCP采用C/S(Client/Server，客户端/服务器)通信模式，协议报文基于UDP的方式进行交互，采用67（DHCP服务器）和68（DHCP客户端）两个端口号： ▫正常工作时由客户端向服务器提出配置申请。

▫服务器返回为客户端分配的IP地址等相应的配置信息。

DHCP相对于手工配置有如下优点：

▫效率高

▫灵活性强

▫易于管理

网络终端设备，例如主机、打印机、笔记本电脑、手机和AP，作为DHCP客户端，向DHCP服务器请求分配相关网络参数。DHCP服务器响应DHCP客户端请求进行动态分配。

DHCP工作原理与配置

DHCP客户端首次接入网络的工作原理

1.发现阶段，即DHCP客户端发现DHCP服务器的阶段。

▫DHCP客户端发送DHCP DISCOVER报文来发现DHCP服务器。DHCP DISCOVER报文中携带了客户端的MAC地址、需要请求的参数列表选项、广播标志位等信息。

2. 提供阶段，即DHCP服务器提供网络配置信息的阶段。

▫服务器接收到DHCP DISCOVER报文后，选择跟接收DHCP DISCOVER报文接口的IP地址处于同一网段的地址池，并且从中选择一个可用的IP地址，然后通过DHCP OFFER报文发送给DHCP客户端。

3. 选择阶段，即DHCP客户端选择IP地址的阶段。

▫如果有多个DHCP服务器向DHCP客户端回应DHCP OFFER报文，则DHCP客户端一般只接收第一个收到的DHCP OFFER报文，然后以广播方式发送DHCP REQUEST报文，该报文中包含客户端想选择的DHCP服务器标识符和客户端IP地址。

4.确认阶段，即DHCP服务器确认所分配IP地址的阶段。

▫DHCP客户端收到DHCP ACK报文，会广播发送免费ARP报文，探测本网段是否有其他终端使用服务器分配的IP地址。

在确认阶段，两种情况可能出现IP地址的冲突： ▫DHCP服务器收到DHCP DISCOVER报文时，给客户端分配IP地址前会发送Ping探测，如果能Ping通则标识该地址不可用，并选择其他IP地址分配给客户端。 ▫DHCP客户端获取IP地址成功后，会立即发送免费ARP报文，如果收到响应，则发送DHCP DECLINE报文通知DHCP服务器该IP地址冲突，DHCP服务器标识该地址不可用，客户端发送DHCP DISCOVER报文重新申请IP地址。

DHCP报文格式

重要字段说明：

Op（op code)：表示报文的类型，取值为1或2，含义如下：

▪1：客户端请求报。

▪2：服务器响应报文。

Secs（seconds）：由客户端填充，表示从客户端开始获得IP地址或IP地址续借后所使用了的秒数，缺省值为3600s。

Flags：客户端请求服务器发送响应报文的形式，只有最高位有意义，其余15位置0。最高位为0时请求发送单播响应，最高位为1时请求发送广播响应。

Yiaddr（your client ip address）：表示服务器分配给客户端的IP地址。当服务器进行DHCP响应时，将分配给客户端的IP地址填入此字段。

Siaddr（server ip address）：DHCP服务器的IP地址。

Chaddr（client hardware address）：客户端的MAC地址。

Options：DHCP通过此字段包含了服务器分配给终端的配置信息。

• Htype （hardware type）: 表示硬件地址的类型。

• Hlen（hardware length）: 表示硬件地址的长度。

• Hops（hops）: 表示当前DHCP报文经过的DHCP Relay数目。该字段由客户端设置为0，每经过一个DHCP Relay时，该字段加1。此字段的作用是限制DHCP报文所经过的DHCP Relay数目。

• Xid：表示DHCP客户端选取的随机数，使DHCP服务器的回复与DHCP客户端的报文相关联。

• Sname（server host name）: 表示客户端获取配置信息的服务器名字。此字段由DHCP服务器填写，是可选的。如果填写，必须是一个以0结尾的字符串。

• File（file name）: 表示客户端启动DHCP相关配置的文件名。此字段由DHCP服务器填写，随着DHCP地址分配的同时下发至客户端。本字段是可选的，如果填写，必须是一个以0结尾的字符串。

Options预定义选项字段介绍

DHCP报文中Options字段为可变长度字段，最多为312Byte，此字段包含了DHCP报文类型，服务器分配给终端的配置信息，如网关IP地址，DNS服务器的IP地址，客户端可以使用IP地址的有效租期等信息。

Options字段由Type、Length和Value三部分组成。其中Type字段取值范围1~255。常见的Options如下表所示：

DHCP的消息类型

DHCP报文通过Options选项中的Type=53来表示DHCP的报文类型。如下图所示，当Type=53，Length=1，Value取值从01到08分别表示不同的DHCP报文类型。

• 1-DHCP DISCOVER：DHCP客户端首次登录网络时进行DHCP交互过程发送的第一个消息，用来寻找DHCP服务器。

• 2-DHCP OFFER：DHCP服务器用来响应DHCP DISCOVER消息，此消息携带了各种配置信息。

• 3-DHCP REQUEST：DHCP客户端广播请求回应DHCP服务器OFFER消息；DHCP客户端重启广播确认之前的IP地址等配置信息；续租。

• 4-DHCP DECLINE：当客户端发现服务器分配给它的IP地址发生冲突时会通过发送此消息来通知服务器。

• 5-DHCP ACK：DHCP服务器对客户端的DHCP REQUEST消息的确认响应消息。

• 6-DHCP NAK：服务器对客户端的DHCP REQUEST消息的拒绝响应消息。

• 7-DHCP RELEASE：客户端可通过发送此消息主动释放服务器分配给它的IP地址。

• 8-DHCP INFORM：DHCP客户端获取IP地址后，如果需要向DHCP服务器获取更为详细的配置信息（网关地址、DNS服务器地址），则向DHCP服务器发送DHCP INFORM请求消息。

Options自定义选项字段介绍

除了标准协议中规定的字段选项外，还有部分选项内容没有统一规定，统称为用户自定义选项，例如Option 82和Option 43。

Option 82称为中继代理信息选项。

▪Option 82中可以包含最多255个Sub-Option，若定义了Option 82，至少要定义一个Sub-Option。

▪DHCP中继或DHCP Snooping设备接收到DHCP客户端发送给DHCP服务器的请求报文后，在该报文中添加Option 82，并转发给DHCP服务器。管理员可以从Option 82中获得DHCP客户端的信息，例如DHCP客户端所连接交换机端口的VLAN ID、二层端口号、中继设备的MAC地址等。

Option 43称为厂商特定信息选项。

▪DHCP服务器和DHCP客户端通过Option 43交换厂商特定的信息。当DHCP服务器接收到请求Option 43信息的DHCP请求报文（Option 55中带有Option 43参数）后，将在回复报文中携带Option 43，为DHCP客户端分配厂商指定的信息。

▪在WLAN组网中，AP作为DHCP客户端，DHCP服务器可以为AP指定AC的IP地址，以方便AP与AC建立连接。

目前option 82中常用的Sub-Option如下： 

▫Sub-Option 1：为代理电路id（即circuit id）子项。子选项通常在DHCP中继设备上配置，定义了在传输报文的时候要携带DHCP客户端所连接交换机端口的vlan-id及二层端口号。通常Sub-Option 1与Sub-Option 2子选项要共同使用来标识DHCP源端的信息。

▫Sub-Option 2：代理远程id（即remote id）子项。该子选项也通常在DHCP中继设备上配置，定义了在传输报文的时候要携带中继设备的mac地址信息。

▫和Sub-Option 5：为链路选择（link selection）子项，该选项中包含了DHCP中继添加的ip地址。这样DHCP server在分配ip地址给DHCP客户端的时候就可以分配与该地址同网段的ip地址。

Option 43应用举例

在WLAN三层组网中，当AP上线时，需要获取AC的IP地址，并与AC之间建立CAPWAP隧道。

AP的IP地址通过DHCP服务器分配，当AC的IP地址与AP不在同一个广播域，AP无法通过广播的方式获取AC的IP地址，则CAPWAP隧道无法建立成功。

AP通过DHCP报文中的Option 43选项字段获取AC的IP地址，当AP获取AC的IP地址后，可以进一步完成CAPWAP隧道的建立，从而实现AP上线。

DHCP地址续租

DHCP客户端根据IP地址的剩余租期的不同而产生不同形式的续租请求

• 当租期达到50%（T1）时，DHCP客户端会自动以单播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功。

• 当租期达到87.5%（T2）时，如果仍未收到DHCP服务器的应答，DHCP客户端会自动以广播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功。

• 如果租期时间到时都没有收到服务器的回应，客户端停止使用此IP地址，重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。

思考：为什么每次电脑被分配的IP地址都是同一个呢？

• DHCP服务器给每个分配给客户端的IP地址定义一个使用期限，该使用期限被称为租期。在租期到期前，DHCP客户端如果仍需要使用该IP地址，可以请求延长租期；如果不需要，可以主动释放该IP地址。在没有其他空闲地址可用的情况下，DHCP服务器会把客户端主动释放的IP地址分配给其他客户端。

• DHCP客户端无论在T1还是T2时刻发送DHCP REQUEST报文后，如果收到DHCP NAK报文，则重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。

• 客户端在租期时间到之前，如果用户不想使用分配的IP地址（例如客户端网络位置需要变更），会触发DHCP客户端向DHCP服务器发送DHCP RELEASE报文，通知DHCP服务器释放IP地址的租期。DHCP服务器会保留这个DHCP客户端的配置信息，将IP地址列为曾经分配过的IP地址中，以便后续重新分配给该客户端或其他客户端。客户端可以通过发送DHCP INFORM报文向服务器请求更新配置信息。

DHCP客户端重用曾经使用过的地址

DHCP客户端非首次接入网络时，可以重用曾经使用过的地址。例如，网络中的主机作为DHCP客户端，在关机再开机的过程中，需要重新获取相关网络参数，则可以请求分配曾经使用过的IP地址。

1.选择阶段

▫客户端广播发送包含前一次分配的IP地址的DHCP REQUEST报文，报文中的Option 50（请求的IP地址选项）字段填入曾经使用过的IP地址。

2.确认阶段

▫DHCP服务器收到DHCP REQUEST报文后，根据DHCP REQUEST报文中携带的MAC地址来查找有没有相应的租约记录。如果有则返回DHCP ACK报文，通知DHCP客户端可以继续使用这个IP地址，如果没有租约记录，则不响应。

是否支持重用曾经使用过的IP地址，因不同客户端而异。

DHCP分配IP地址顺序

DHCP服务器按照如下次序为客户端选择IP地址：

▫DHCP服务器的数据库中与客户端MAC地址静态绑定的IP地址。

▫客户端以前曾经使用过的IP地址，即客户端发送的请求报文中请求IP地址选项的地址。

▫在DHCP地址池中，顺序查找可供分配的空闲IP地址，最先找到的IP地址。

▫如果在DHCP地址池中未找到可供分配的空闲IP地址，则依次查询超过租期、发生冲突的IP地址，如果找到可用的IP地址，则进行分配，否则报告错误。

DHCP配置命令介绍（1）

·此处以ip pool的名字为HW举例说明。

·缺省情况下，没有配置为指定DHCP Client分配固定IP地址。

DHCP配置命令介绍 (2)

·此处以接口GigabitEthernet0/0/1举例说明。

DHCP配置举例

DHCP配置结果

根据IP地址的使用情况，地址池中的IP地址可以分为多种状态：

• Used：表示此IP地址已使用。

• Idle：表示此IP地址处于空闲状态。

• Expired：表示此IP地址租期已过，处于空闲状态。

• Conflict：表示此IP地址与网络上其他地址冲突。

  Disable：表示此IP地址无法使用。

DHCP Relay工作原理与配置

什么是DHCP Relay

随着网络规模的不断扩大，网络设备不断增多，企业内不同的用户可能分布在不同的网段，一台DHCP服务器在正常情况下无法满足多个网段的地址分配需求。如果还需要通过DHCP服务器分配IP地址，则需要跨网段发送DHCP报文。

DHCP Relay即DHCP中继，它是为解决DHCP服务器和DHCP客户端不在同一个广播域而提出的，提供了对DHCP广播报文的中继转发功能，能够把DHCP客户端的广播报文“透明地”传送到其它广播域的DHCP服务器上，同样也能够把DHCP服务器端的应答报文“透明地”传送到其它广播域的DHCP客户端。

DHCP Relay报文格式

DHCP Relay主要负责转发DHCP客户端与DHCP服务器之间的DHCP报文，所以DHCP Relay的报文格式只是把DHCP的报文部分字段做了相应的修改，报文格式没有发生变化，如下图所示：

Hops：表示当前的DHCP报文经过的DHCP中继的数目。该字段由客户端或服务器设置为0，每经过一个DHCP中继时，该字段加1。

Giaddr(gateway ip address)：表示第一个DHCP中继的IP地址。当客户端发出DHCP请求时，第一个DHCP中继在将DHCP请求报文转发给DHCP服务器时，会把自己的IP地址填入此字段。

Hops字段的作用是限制DHCP报文所经过的DHCP中继数目。服务器和客户端之间的DHCP中继数目不能超过16个，也就是Hops值不能大于16，否则DHCP报文将被丢弃。

Giaddr字段，DHCP服务器会根据此字段来判断出客户端所在的网段地址，从而选择合适的地址池，为客户端分配该网段的IP地址。服务器还会根据此地址将响应报文发送给此DHCP中继，再由DHCP中继将此报文转发给客户端。若在到达DHCP服务器前经过了多个DHCP中继，该字段作为客户端所在的网段的标记，填充了第一个DHCP中继的IP地址后不会再变更，只是每经过一个DHCP中继，hops字段的数值会加1。

DHCP Relay工作原理

有中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理：

1.发现阶段：DHCP中继接收到DHCP客户端广播发送的DHCP DISCOVER报文后，通过路由转发将DHCP报文单播发送到DHCP服务器或下一跳中继。

2.提供阶段：DHCP服务器根据DHCP DISCOVER报文中的Giaddr字段选择地址池为客户端分配相关网络参数，DHCP中继收到DHCP OFFER报文后，以单播或组播方式发送给DHCP Client。

3.选择阶段：中继接收到来自客户端的DHCP REQUEST报文的处理过程同“发现阶段”。

4.确认阶段：中继接收到来自服务器的DHCP ACK报文的处理过程同“提供阶段”。

DHCP中继收到DHCP DISCOVER报文后，处理规则为：

▫检查DHCP报文中的Hops字段，如果大于16，则丢弃DHCP报文；否则，将Hops字段加1（表明经过一次DHCP中继），并继续下面的操作。

▫检查DHCP报文中的Giaddr字段。如果是0，将Giaddr字段设置为接收DHCP DISCOVER报文的接口IP地址。如果不是0，则不修改该字段，继续下面的操作。

▫将DHCP报文的目的IP地址改为DHCP服务器或下一跳中继的IP地址，源地址改为中继连接客户端的接口地址，通过路由转发将DHCP报文单播发送到DHCP服务器或下一跳中继。

DHCP服务器接收到DHCP DISCOVER报文后，选择与报文中Giaddr字段为同一网段的地址池，并为客户端分配IP地址等参数，然后向Giaddr字段标识的DHCP中继单播发送DHCP OFFER报文，DHCP中继收到DHCP OFFER报文后，会进行如下处理：

▫检查报文中的Giaddr字段，如果不是接口的地址，则丢弃该报文；否则，继续下面的操作。

▫DHCP中继检查报文的广播标志位。如果广播标志位为1，则将DHCP OFFER报文广播发送给DHCP客户端；否则将DHCP OFFER报文单播发送给DHCP客户端。

DHCP Relay配置命令介绍

DHCP Relay配置举例 (1)

·各个设备配置DHCP前需要在全局视图下通过DHCP enable命令开启DHCP功能。

DHCP Relay配置举例 (2)

DHCP Relay配置验证