計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)我也連載了很多篇了，大家可以在我的公眾號(hào)「程序員cxuan」 或者我的 github

系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

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哈嘍小伙伴們大家好啊，這里是 cxuan 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連載系列的文章第 11 篇，本篇文章我們來(lái)聊一聊 DHCP 協(xié)議。在聊之前，先想象一個(gè)場(chǎng)景。

你現(xiàn)在站在地鐵上或者坐在辦公室中，你的手機(jī)也好，電腦也好都有一個(gè) IP 地址，假如這個(gè) IP 地址是你動(dòng)輸入的，你需要寫(xiě)下面這些東西 ......

電腦配置這些還好，直接咔咔咔的配置完了，如果你用的是手機(jī)，那么你需要點(diǎn)到 IP 地址，輸入 IP 地址，點(diǎn)到子網(wǎng)掩碼，輸入子網(wǎng)掩碼，點(diǎn)到默認(rèn)路由，輸入路由，點(diǎn)到 DNS 服務(wù)器，輸入 DNS 服務(wù)器 ...... 這玩意這么麻煩啊，恰好你剛配置完，領(lǐng)導(dǎo)叫你開(kāi)會(huì)，得嘞，剛配置好的地址白瞎了。換了一個(gè)環(huán)境，需要重新配置 IP 地址，于是你把上面的步驟再重復(fù)了一遍，這時(shí)候散會(huì)了，然后你炸了。。。。。。

我們還省去了你有可能配置錯(cuò)誤的時(shí)候。

上面這段描述最讓人惱火的就是你需要手動(dòng)配置 IP 地址，woc，為啥不能設(shè)置成自動(dòng)配置 IP 地址呢？誰(shuí)說(shuō)不能的，能！那就是用 DHCP， 這也是我們下面要聊的內(nèi)容。

認(rèn)識(shí) DHCP

DHCP 的全稱是 Dynamic Host Configuration Protocol 動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議。使用 DHCP 就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)置 IP 地址、統(tǒng)一管理 IP 地址分配。也就是不管你是在開(kāi)會(huì)還是在工位干活，都省去了手動(dòng)配置 IP 地址這一步繁瑣的操作，同時(shí) DHCP 也大大減少了可能由于你手動(dòng)分配 IP 地址導(dǎo)致錯(cuò)誤的幾率。

DHCP 與 IP 密切相關(guān)，它是 IP 網(wǎng)絡(luò)上所使用的協(xié)議。如果你想要使用 DHCP 提供服務(wù)的話，那么在整條通信鏈路上就需要 DHCP 服務(wù)器的存在，連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備使用 DHCP 協(xié)議從 DHCP 服務(wù)器請(qǐng)求 IP 地址。DHCP 服務(wù)器會(huì)為設(shè)備分配一個(gè)唯一的 IP 地址。

除了 IP 地址外，DHCP 服務(wù)器還會(huì)把子網(wǎng)掩碼，默認(rèn)路由，DNS 服務(wù)器告訴你。

DHCP 服務(wù)器

現(xiàn)在，你不需要手動(dòng)配置 IP 地址，也不再需要管理 IP 地址了，管理權(quán)已經(jīng)移交給了 DHCP 服務(wù)器，DHCP 服務(wù)器會(huì)維護(hù) IP 地址池，在網(wǎng)絡(luò)上啟動(dòng)時(shí)會(huì)將地址租借給啟用 DHCP 的客戶端。

由于 IP 地址是動(dòng)態(tài)的(臨時(shí)分配)而不是靜態(tài)的(永久分配)，因此不再使用的 IP 地址會(huì)自動(dòng)返回 IP 地址池中進(jìn)行重新分配。

那么 DHCP 服務(wù)器由誰(shuí)維護(hù)呢？

網(wǎng)絡(luò)管理員負(fù)責(zé)建立 DHCP 服務(wù)器，并以租約的形式向啟用 DHCP 的客戶端提供地址配置，啊，既然不需要我管理，那就很舒服了～

好了，現(xiàn)在你能舒舒服服的開(kāi)發(fā)了，你用 postman 配了一條 192.168.1.4/x/x 的接口進(jìn)行請(qǐng)求，請(qǐng)求能夠順利進(jìn)行，但是過(guò)了一段時(shí)間后，你發(fā)現(xiàn) 192.168.1.4/x/x 這個(gè)接口請(qǐng)求不通了，這是為啥呢？然后你用 ipconfig 查詢了一下自己的 IP 地址，發(fā)現(xiàn) IP 地址變成了 192.168.1.7，怎么我用著用著 IP 地址還改了？DHCP 是個(gè)垃圾，破玩意?。#￥%￥%……￥%

其實(shí)，這也是一個(gè) DHCP 服務(wù)器的一個(gè)功能，DHCP 服務(wù)器通常為每個(gè)客戶端分配一個(gè)唯一的動(dòng)態(tài) IP 地址，當(dāng)該 IP 地址的客戶端租約到期時(shí)，該地址就會(huì)更改。

唯一意思說(shuō)的就是，如果你手動(dòng)設(shè)置了一個(gè)靜態(tài) IP，同時(shí) DHCP 服務(wù)器分配了一個(gè)動(dòng)態(tài) IP，這個(gè)動(dòng)態(tài) IP 和靜態(tài) IP 一樣，那么必然會(huì)有一個(gè)客戶端無(wú)法上網(wǎng)。

我就遇到過(guò)這種情況，我使用虛擬機(jī)配置的靜態(tài) IP 是192.168.1.8，手機(jī)使用 DHCP 也同樣配置了 192.168.1.8 的 IP 地址，此時(shí)我的虛擬機(jī)還沒(méi)有接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)我接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我怎樣也連不上虛擬機(jī)了，一查才發(fā)現(xiàn) IP 地址沖突了 ......

雖然 DHCP 服務(wù)器能提供 IP 地址，但是他怎么知道哪些 IP 地址空閑，哪些 IP 地址正在使用呢？

實(shí)際上，這些信息都配置在了數(shù)據(jù)庫(kù)中，下面我們就來(lái)一起看一下 DHCP 服務(wù)器維護(hù)了哪些信息。

• 網(wǎng)絡(luò)上所有有效的 TCP/IP 配置參數(shù)

這些參數(shù)主要包括主機(jī)名（Host name）、DHCP 客戶端（DHCP client）、域名（Domain name）、IP 地址IP address）、網(wǎng)關(guān)（Netmask）、廣播地址（Broadcast address）、默認(rèn)路由（default rooter）。

• 有效的 IP 地址和排除的 IP 地址，保存在 IP 地址池中等待分配給客戶端
• 為某些特定的 DHCP 客戶端保留的地址，這些地址是靜態(tài) IP，這樣可以將單個(gè) IP 地址一致地分配給單個(gè)DHCP 客戶端

好了，現(xiàn)在你知道 DHCP 服務(wù)器都需要保存哪些信息了，并且看過(guò)上面的內(nèi)容，你應(yīng)該知道一個(gè) DHCP 的組件有哪些了，下面我們就來(lái)聊一聊 DHCP 中都有哪些組件，這些組件缺一不可。

DHCP 的組件

使用 DHCP 時(shí)，了解所有的組件很重要，下面我為你列出了一些 DHCP 的組件和它們的作用都是什么。

• DHCP Server，DHCP 服務(wù)器，這個(gè)大家肯定都知道，因?yàn)槲覀兩厦婢鸵恢痹谔接?DHCP 服務(wù)器的內(nèi)容，使用 DHCP ，是一定要有 DHCP 服務(wù)器的，要不然誰(shuí)給你提供服務(wù)呢？
• DHCP Client，DHCP 客戶端，這個(gè)大家應(yīng)該也知道，畢竟只有一個(gè)服務(wù)端不行啊，沒(méi)有客戶端你為誰(shuí)服務(wù)??？DHCP 的客戶端可以是計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備或者其他需要連接到網(wǎng)絡(luò)的任何設(shè)備，默認(rèn)情況下，大多數(shù)配置為接收 DHCP 信息。
• Ip address pool: 你得有 IP 地址池啊，雖然說(shuō)你 DHCP 提供服務(wù)，但是你也得有工具啊，沒(méi)有工具玩兒啥？IP 地址池是 DHCP 客戶端可用的地址范圍，這個(gè)地址范圍通常由最低 -> 最高順序發(fā)送。
• Subnet：這個(gè)組件是子網(wǎng)，IP 網(wǎng)絡(luò)可以劃分一段一段的子網(wǎng)，子網(wǎng)更有助于網(wǎng)絡(luò)管理。
• Lease：租期，這個(gè)表示的就是 IP 地址續(xù)約的期限，同時(shí)也代表了客戶端保留 IP 地址信息的時(shí)間長(zhǎng)度，一般租約到期時(shí)，客戶端必須續(xù)約。
• DHCP relay：DHCP 中繼器，這個(gè)一般比較難想到，DHCP 中繼器一般是路由器或者主機(jī)。DHCP 中繼器通常應(yīng)對(duì) DHCP 服務(wù)器和 DHCP 客戶端不再同一個(gè)網(wǎng)斷的情況，如果 DHCP 服務(wù)器和 DHCP 客戶端在同一個(gè)網(wǎng)段下，那么客戶端可以正確的獲得動(dòng)態(tài)分配的 IP 地址；如果不在的話，就需要使用 DHCP 中繼器進(jìn)行中繼代理。

現(xiàn)在 DHCP 的組件你了解后，下面我就要和你聊聊 DHCP 的工作機(jī)制了。

DHCP 工作機(jī)制

在聊 DHCP 工作機(jī)制前，先來(lái)看一下 DHCP 的報(bào)文消息

DHCP 報(bào)文

DHCP 報(bào)文共有一下幾種：

• DHCP DISCOVER ：客戶端開(kāi)始 DHCP 過(guò)程發(fā)送的包，是 DHCP 協(xié)議的開(kāi)始
• DHCP OFFER ：服務(wù)器接收到 DHCPDISCOVER 之后做出的響應(yīng)，它包括了給予客戶端的 IP 租約過(guò)期時(shí)間、服務(wù)器的識(shí)別符以及其他信息
• DHCP REQUEST ：客戶端對(duì)于服務(wù)器發(fā)出的 DHCPOFFER 所做出的響應(yīng)。在續(xù)約租期的時(shí)候同樣會(huì)使用。
• DHCP ACK ：服務(wù)器在接收到客戶端發(fā)來(lái)的 DHCPREQUEST 之后發(fā)出的成功確認(rèn)的報(bào)文。在建立連接的時(shí)候，客戶端在接收到這個(gè)報(bào)文之后才會(huì)確認(rèn)分配給它的 IP 和其他信息可以被允許使用。
• DHCP NAK ：DHCPACK 的相反的報(bào)文，表示服務(wù)器拒絕了客戶端的請(qǐng)求。
• DHCP RELEASE ：一般出現(xiàn)在客戶端關(guān)機(jī)、下線等狀況。這個(gè)報(bào)文將會(huì)使 DHCP 服務(wù)器釋放發(fā)出此報(bào)文的客戶端的 IP 地址
• DHCP INFORM ：客戶端發(fā)出的向服務(wù)器請(qǐng)求一些信息的報(bào)文
• DHCP DECLINE :當(dāng)客戶端發(fā)現(xiàn)服務(wù)器分配的 IP 地址無(wú)法使用（如 IP 地址沖突時(shí)），將發(fā)出此報(bào)文，通知服務(wù)器禁止使用該 IP 地址。

DHCP 的工作機(jī)制比較簡(jiǎn)單，無(wú)非就是客戶端向服務(wù)器租借 IP ，服務(wù)器提供 IP 給客戶端的這個(gè)過(guò)程唄。嗯，你很聰明，大致是這樣的，不過(guò)有一些細(xì)節(jié)需要注意下，下面我通過(guò)兩張圖來(lái)和你聊一下。

關(guān)于從 DHCP 中獲取 IP 地址的流程，主要分為兩個(gè)階段。

第一個(gè)階段是 DHCP 查找包的階段

查找包的階段主要分為兩步：第一步是 DHCP 發(fā)現(xiàn)包，第二步是 DHCP 提供包。

DHCP 客戶端在通信鏈路上發(fā)起廣播，看看鏈路上有沒(méi)有能提供 DHCP 包的服務(wù)器，然后通信鏈路上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)檢查自己是否能夠提供 DHCP 包，這時(shí) DHCP 服務(wù)器說(shuō)它能夠提供 DHCP 包，然后 DHCP 就發(fā)出一個(gè) DHCP 包沿著通信鏈路返回給 DHCP 客戶端。

第二個(gè)階段是 DHCP 的請(qǐng)求階段。

DHCP 的請(qǐng)求包也分為兩步：第一步是 DHCP 請(qǐng)求包，第二步是 DHCP 確認(rèn)包。

DHCP 客戶端在通信鏈路上發(fā)起 DHCP 請(qǐng)求包，請(qǐng)求包主要是告訴 DHCP 服務(wù)器，它想要用上一步提供的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，然后 DHCP 服務(wù)器向 DHCP 客戶端發(fā)送確認(rèn)包，表示允許 DHCP 客戶端使用第二步發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

至此，DHCP 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置就結(jié)束了，然后通信鏈路上的主機(jī)之間就可以進(jìn)行 TCP/IP 通信了。

當(dāng)不需要 IP 地址時(shí)，可以發(fā)送 DHCP 解除包(DHCP RELEASE)進(jìn)行解除。另外，DHCP 的設(shè)置中通常會(huì)有一個(gè)租期時(shí)間的設(shè)定，DHCP 客戶端在這個(gè)時(shí)限內(nèi)可以發(fā)送 DHCP 請(qǐng)求包通知想要延長(zhǎng)這個(gè)期限。

DHCP 狀態(tài)機(jī)

我們上面知道 DHCP 會(huì)發(fā)送幾種請(qǐng)求包，我們知道，動(dòng)作肯定伴隨著狀態(tài)的更改，DHCP 也是一樣的，在 DHCP 發(fā)送/接收各種包的時(shí)候，其狀態(tài)也在發(fā)生相應(yīng)的改變。DHCP 協(xié)議可以在客戶端和服務(wù)器上運(yùn)行狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)決定了協(xié)議接下來(lái)要處理的消息類(lèi)型。

狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換（箭頭）是由于接收和發(fā)送消息或者計(jì)時(shí)器到期才發(fā)生的轉(zhuǎn)換。下面是 DHCP 的狀態(tài)輪轉(zhuǎn)圖。

客戶端在開(kāi)始時(shí)沒(méi)有消息，此時(shí)處于 INIT 狀態(tài)，然后客戶端會(huì)在通信鏈路上發(fā)起一個(gè)廣播 DHCP DISCOVER。

在 Selecting 選擇狀態(tài)下，客戶端會(huì)收集 DHCPOFFER 消息，直到確定要使用的地址和服務(wù)器為止。

一旦 DHCP 客戶端做好選擇后，它就會(huì)發(fā)送 DHCPREQUEST 消息并進(jìn)入 Requesting 狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下它很可能收到并不需要的 ACK 響應(yīng)，如果這個(gè)狀態(tài)下沒(méi)有找到合適的地址的話，那么客戶端就會(huì)發(fā)送DHCPDECLINE 并恢復(fù)為 INIT 狀態(tài)，但是這種發(fā)生的概率比較小。

在處于 Requesting 狀態(tài)下的客戶端很可能接受發(fā)送過(guò)來(lái)的 DHCPACK 消息，獲取超時(shí)時(shí)間 T1 和 T2，然后進(jìn)入 Bound 綁定狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下可以使用地址直到地址過(guò)期。

在第一個(gè)計(jì)時(shí)器 T1 到期時(shí)，客戶端會(huì)進(jìn)入 renewing 續(xù)訂狀態(tài)，并重新嘗試建立租約時(shí)間，如果收到新的 ACK 消息就表示續(xù)訂成功，然后就恢復(fù)為 Bound 狀態(tài)。

如果沒(méi)有收到 ACK 那么 T2 會(huì)最終過(guò)期進(jìn)入 Rebinding 狀態(tài)，進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)的客戶端會(huì)重新嘗試獲取地址，如果最終的租約到期，那么客戶端必須放棄租約地址，并且如果沒(méi)有其他地址或網(wǎng)絡(luò)連接要使用，客戶端將斷開(kāi)連接。

DHCP 沖突

現(xiàn)在我們討論一下 DHCP 沖突的問(wèn)題，DHCP 沖突其實(shí)就是 IP 重了，當(dāng)一個(gè)子網(wǎng)中兩個(gè)或者更多主機(jī)配置了相同的 IP 地址時(shí)，就會(huì)發(fā)生 IP 沖突的現(xiàn)象。發(fā)生這種情況可能導(dǎo)致的后果是兩個(gè)沖突的主機(jī)混在一起，一臺(tái)主機(jī)可能接收了另一臺(tái)主機(jī)的數(shù)據(jù)包。

那么造成這種情況的原因是啥呢？

造成這種情況的原因有很多，這里我列舉兩個(gè)可能出現(xiàn)的情況：

• 第一種情況是一臺(tái)主機(jī)配置了靜態(tài) IP 地址，這臺(tái)主機(jī)聯(lián)網(wǎng)后，其 IP 地址不會(huì)在 DHCP 服務(wù)器中，然后另外一個(gè)主機(jī)入網(wǎng)，DHCP 服務(wù)器給這臺(tái)主機(jī)自動(dòng)分配了相同的 IP 地址，這兩個(gè)地址就產(chǎn)生了 IP 沖突。

• 第二種情況是，客戶端從 DHCP 服務(wù)器獲得了 IP 地址，然后這臺(tái)主機(jī)下線了，隨著租約到期，DHCP 會(huì)將這個(gè) IP 地址又分配給了其他主機(jī)，等到這個(gè)主機(jī)重新上線后，由于某種原因，計(jì)算機(jī)無(wú)法訪問(wèn) DHCP 服務(wù)器，這種情況下會(huì)造成 IP 沖突。

當(dāng)檢測(cè)到 IP 沖突時(shí)，通常 Windows 系統(tǒng)和 Mac 系統(tǒng)會(huì)彈出 IP 沖突的彈窗。

DHCP 中繼代理

常規(guī)家庭網(wǎng)絡(luò)（土豪除外）中大多數(shù)都只有一個(gè)以太網(wǎng)，也就是 LAN 網(wǎng)段，一個(gè) DHCP 服務(wù)器完全可以滿足 LAN 中的客戶機(jī)使用。但是，在更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，比如企業(yè)或者學(xué)校，一臺(tái) DHCP 服務(wù)器顯然就無(wú)法滿足了。因此，這種情況下，往往需要 DHCP 的統(tǒng)一管理，具體實(shí)現(xiàn)方式可以通過(guò) DHCP 中繼代理 來(lái)轉(zhuǎn)發(fā) DHCP 流量，如下圖所示。

如上圖所示，存在兩個(gè)網(wǎng)段 A 和網(wǎng)段 B，DHCP 客戶機(jī)和 DHCP 服務(wù)器不在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，所以我們?cè)谕ㄐ沛溌飞霞茉O(shè)了一個(gè)中繼代理，DHCP 客戶機(jī)通過(guò)訪問(wèn)中繼代理以達(dá)到訪問(wèn) DHCP 服務(wù)器的目的。

使用這種方式，我們不再需要在每個(gè)網(wǎng)段都設(shè)置一個(gè) DHCP 服務(wù)器，只需要在每個(gè)網(wǎng)段架設(shè)一個(gè)中繼代理即可。它可以設(shè)置 DHCP 服務(wù)器的 IP 地址，從而可以在 DHCP 服務(wù)器上為每個(gè)網(wǎng)段注冊(cè) IP 地址的分配范圍。

DHCP 客戶端會(huì)向 DHCP 中繼代理發(fā)送 DHCP 請(qǐng)求包，而 DHCP 中繼代理在收到這個(gè)廣播包之后再以單播的形式發(fā)送給 DHCP 服務(wù)器。服務(wù)器收到該包以后再向 DHCP 中繼代理返回應(yīng)答，并由 DHCP 中繼代理將此包發(fā)送給 DHCP 客戶端。

DHCP 認(rèn)證

我們總是假想所有情況都能夠順利進(jìn)行，害怕出問(wèn)題，這也許意味著我永遠(yuǎn)只是個(gè)初級(jí)程序員吧。我們上面探討的 DHCP 服務(wù)器都是合理的、合法的，但是互聯(lián)網(wǎng)是一把雙刃劍，不是所有人都是合法公民。如果假設(shè)了一個(gè)未經(jīng)授權(quán)的 DHCP 服務(wù)器怎么辦？它很可能會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成影響。

為了避免這些問(wèn)題，在 [RFC3118] 中指定了一種認(rèn)證 DHCP 消息的方法。 它定義了一個(gè) DHCP 選項(xiàng)，即Authentication 選項(xiàng)，如下所示

認(rèn)證選項(xiàng)的主要目的就是確定 DHCP 消息是否來(lái)自一個(gè)授權(quán)的發(fā)送方。

身份驗(yàn)證的代碼（code）屬性值是 90，而長(zhǎng)度（Length）給出了選項(xiàng)中的字節(jié)數(shù)（不包括代碼和長(zhǎng)度字段的字節(jié)）。如果協(xié)議（Protocol）和算法（Algorithm）屬性被設(shè)置為 0 ，則認(rèn)證信息字段將保存一個(gè)簡(jiǎn)單的共享配置的 token，token 大家開(kāi)發(fā)應(yīng)該都接觸過(guò)把，就是一條認(rèn)證信息。只要配置令牌在客戶端和服務(wù)器上匹配，這條消息就會(huì)被接受。

我們上面聊到的只是其中的一種，還有一種更安全的方法是涉及所謂的延遲身份認(rèn)證，如果協(xié)議和算法都被設(shè)置為 1，就表示使用了延遲身份認(rèn)證。在這種情況下，客戶端的 DHCPDISCOVER 消息或 DHCPINFORM 消息包括身份驗(yàn)證選項(xiàng)，并且服務(wù)器以其 DHCPOFFER 或 DHCPACK 消息中包含的身份驗(yàn)證信息進(jìn)行響應(yīng)。這個(gè)認(rèn)證信息中包括一個(gè)消息認(rèn)證碼，它提供對(duì)發(fā)送方的認(rèn)證和消息的完整性校驗(yàn)。RDM 表示中繼檢測(cè)，中繼檢測(cè)包括一個(gè)單項(xiàng)遞增的值，只要經(jīng)過(guò)一個(gè)代理中繼，那么這個(gè)中繼檢測(cè)的值就會(huì) + 1。

雖然 DHCP 認(rèn)證能夠確保安全性，但是它沒(méi)有被廣泛使用，原因有兩點(diǎn)：

• 首先，該方法要求在 DHCP 服務(wù)器和每個(gè)需要身份驗(yàn)證的客戶端之間分配共享密鑰。
• 其次，在 DHCP 已經(jīng)被廣泛使用之后，才指定了 Authentication 選項(xiàng)。

總結(jié)

這篇文章我和你探討了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)比較容易忽視的概念，為什么說(shuō)他容易忽視呢？因?yàn)槲覀兤匠ｉ_(kāi)發(fā)過(guò)程中基本上不會(huì)管 IP 地址的配置的，也就是環(huán)境搭建的時(shí)候會(huì)用到一些，但是要系統(tǒng)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的話，DHCP 的重要性不可忽視，DHCP 包括工作機(jī)制、DHCP 報(bào)文消息，DHCP 狀態(tài)機(jī)、DHCP 認(rèn)證這些都是需要你了解并掌握的。

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