网络应用层之(1)DHCPv4协议

Author: Once Day Date: 2024年5月18日

一位热衷于Linux学习和开发的菜鸟，试图谱写一场冒险之旅，也许终点只是一场白日梦…

漫漫长路，有人对你微笑过嘛…

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参考文章:

《TCP/IP详解卷一》DHCP协议详解 - 知乎 (zhihu.com)只需三分钟！读懂DHCP的原理与配置 - 知乎 (zhihu.com)37 张图详解 DHCP ：给你 IP 地址的隐形人 - 知乎 (zhihu.com)【网络协议详解】——DHCP系统协议（学习笔记）-CSDN博客什么是DHCP？为什么要用DHCP？ - 华为 (huawei.com)RFC 2131: Dynamic Host Configuration Protocol (rfc-editor.org)Info-Finder（在线工具） 报文格式 (huawei.com)DHCP - IP 报文格式大全 (huawei.com)BOOTP - IP 报文格式大全 (huawei.com)

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### 网络应用层之(1)DHCPv4协议

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漫漫长路，有人对你笑过嘛…

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《TCP/IP详解卷一》DHCP协议详解 - 知乎 (zhihu.com)只需三分钟！读懂DHCP的原理与配置 - 知乎 (zhihu.com)37 张图详解 DHCP ：给你 IP 地址的隐形人 - 知乎 (zhihu.com)【网络协议详解】——DHCP系统协议（学习笔记）-CSDN博客什么是DHCP？为什么要用DHCP？ - 华为 (huawei.com)RFC 2131: Dynamic Host Configuration Protocol (rfc-editor.org)Info-Finder（在线工具） 报文格式 (huawei.com)DHCP - IP 报文格式大全 (huawei.com)BOOTP - IP 报文格式大全 (huawei.com)

文章目录

网络应用层之(1)DHCPv4协议1. 介绍1.1 DHCP协议介绍1.2 DHCP和BOOTP协议的联系1.3 DHCP相关的RFC文档 2. 报文格式2.1 DHCPv4报文格式2.2 BOOTP报文格式2.3 DHCP报文选项2.4 DHCP消息类型2.5 DHCP服务端2.6 DHCP客户端 3. 工作流程3.1 DHCP服务器地址分配方式3.2 DHCP客户端接入网络流程3.3 DHCP客户端续租3.4 DHCP中继场景接入网络流程3.5 DHCP客户端状态机3.6 DHCP认证 4. 总结

1. 介绍

1.1 DHCP协议介绍

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是一种网络管理协议，用于自动为加入网络的设备分配IP地址和其他网络配置参数。它简化了网络管理，使得设备可以即插即用，无需手动配置。

DHCP的前身是BOOTP(Bootstrap Protocol)(RFC0951)，由Bill Croft和John Gilmore于1985年开发，用于无盘工作站的IP地址分配。1993年，DHCP作为BOOTP的增强版被提出，由Ralph Droms主要设计和开发。

1997年，DHCP成为RFC 2131标准，得到广泛应用。2002年，DHCPv6（RFC 3315）发布，支持IPv6地址的动态分配。

随着网络规模的不断扩大，手动为每台设备分配IP地址变得越来越困难。对于服务器和路由器这种网络拓扑中的核心设备， 出于可靠性原因，通常是静态手工配置。但是大量的家用客户机和嵌入式设备，需要灵活的IP地址分配策略，其操作者常常对网络知识了解甚少，因此就需要一种集中服务来统一管理和自动分配IP地址。

DHCP广泛应用于各种网络环境，如家庭网络、企业网络、校园网等。它不仅适用于有线网络，也支持无线网络（如Wi-Fi）。当设备接入网络时，DHCP服务器会自动为其分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等参数，使设备能够正常通信。

当一台启动DHCP client功能的客户机首次接入网络时，将会经历如下流程：

DHCP客户端向网络广播DHCP Discover消息，请求IP地址。DHCP服务器收到请求后，从地址池中选择一个可用的IP地址，并发送DHCP Offer消息给客户端。客户端接收到一个或多个DHCP Offer后，选择其中一个，并向服务器发送DHCP Request消息，请求使用该地址。服务器收到DHCP Request后，将地址标记为已分配，并发送DHCP ACK消息，确认地址分配。

DHCP虽然极大便利了网络配置流程，但是也存在一些风险，如下所示:

DHCP缺乏对设备身份的验证机制，可能导致地址盗用和安全问题。DHCP服务器单点故障可能导致整个网络瘫痪，需要配置冗余和故障转移机制。DHCP的地址分配策略相对简单，对于复杂网络环境，可能需要更精细的控制和管理。

在公共场所和公司办公场景，DHCP通常会搭配额外的认证服务流程，并绑定设备MAC和IP之间的关系，从而确保客户机受控接入，提高安全性。

1.2 DHCP和BOOTP协议的联系

BOOTP协议是DHCP的前身，最初由Bill Croft和John Gilmore于1985年开发，用于为无盘工作站自动分配IP地址。

BOOTP工作原理如下：

客户端广播BOOTREQUEST消息，请求IP地址和引导信息。BOOTP服务器收到请求后，从配置文件中查找客户端的硬件地址，并返回对应的IP地址和引导信息。

DHCP协议是在BOOTP的基础上发展而来，由Ralph Droms主要设计和开发，于1993年提出。

DHCP在保留BOOTP基本功能的同时，进行了多方面的增强和扩展：

引入了地址租期的概念，客户端获得的IP地址有一定的有效期，到期后需要续租或重新获取。支持更多的网络配置参数，如子网掩码、默认网关、DNS服务器等。引入了DHCP中继代理（DHCP Relay Agent），解决了跨网段分配IP地址的问题。提供了更灵活的地址分配策略，如手动分配、自动分配、动态分配等。

DHCP协议在设计时充分考虑了与BOOTP的兼容性，使得DHCP服务器能够同时为BOOTP和DHCP客户端提供服务：

DHCP使用与BOOTP相同的UDP端口(67和68)，消息格式也基本兼容。DHCP服务器可以识别BOOTP请求，并按照BOOTP的方式进行响应。DHCP中继代理可以转发BOOTP请求，扩展了BOOTP的适用范围。

目前，大多数DHCP服务器实现都同时支持DHCP和BOOTP协议，提供了很好的兼容性。例如，广泛使用的ISC DHCP服务器(DHCPD)默认支持BOOTP协议，可以为BOOTP客户端分配IP地址。Windows Server的DHCP服务也提供了BOOTP支持，通过配置选项可以启用BOOTP兼容模式。

1.3 DHCP相关的RFC文档

以下是与DHCP相关的主要RFC文档列表：

RFC 2131 - Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)，DHCP协议的主要规范，定义了DHCP的工作原理、报文格式和选项等。

RFC 2132 - DHCP Options and BOOTP Vendor Extensions，定义了DHCP协议中常用的选项和BOOTP供应商扩展。

RFC 3046 - DHCP Relay Agent Information Option，引入了DHCP中继代理信息选项(Option 82)，用于在DHCP中继代理和服务器之间传递额外的信息。

RFC 3118 - Authentication for DHCP Messages，为DHCP消息添加身份验证机制，提高了DHCP的安全性。

RFC 3203 - DHCP reconfigure extension，定义了DHCP重新配置扩展，允许DHCP服务器向客户端发送重新配置消息，触发客户端重新获取配置信息。

RFC 3315 - Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6 (DHCPv6)，定义了用于IPv6网络的DHCP协议，称为DHCPv6。

RFC 3396 - Encoding Long Options in the Dynamic Host Configuration Protocol (DHCPv4)，描述了在DHCPv4中编码长选项的方法，通过将长选项分割成多个子选项来传输。

RFC 3442 - The Classless Static Route Option for Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) version 4，定义了DHCPv4的无类静态路由选项，用于为DHCP客户端分配静态路由。

RFC 3925 - Vendor-Identifying Vendor Options for Dynamic Host Configuration Protocol version 4 (DHCPv4)，定义了DHCPv4的供应商标识选项，允许供应商在DHCP消息中传递特定于供应商的信息。

RFC 4242 - Information Refresh Time Option for Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6 (DHCPv6)，为DHCPv6定义了信息刷新时间选项，用于指示客户端刷新配置信息的时间间隔。

RFC 4361 - Node-specific Client Identifiers for Dynamic Host Configuration Protocol Version Four (DHCPv4)，定义了DHCPv4的节点特定客户端标识符，用于在多个接口上唯一标识DHCP客户端。

RFC 4436 - Detecting Network Attachment in IPv4 (DNAv4)，描述了在IPv4网络中检测网络连接的机制，其中利用了DHCP的特性。

RFC 4704 - The Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6 (DHCPv6) Client Fully Qualified Domain Name (FQDN) Option，定义了DHCPv6的客户端完全限定域名（FQDN）选项，用于在DHCPv6中传递客户端的FQDN信息。

涵盖了DHCP协议的各个方面，包括基本规范、选项定义、安全性、IPv6支持等，共同构成了DHCP协议的完整规范和参考资料。

2. 报文格式

2.1 DHCPv4报文格式

DHCPv4报文格式由固定长度的字段和可变长度的选项字段组成，如下所示：

各字段说明如下:

op(1字节)，操作码，指示报文的类型。1表示客户端请求报文(BOOTREQUEST)，2表示服务器响应报文(BOOTREPLY)。htype(1字节)，硬件地址类型，表示客户端的硬件地址类型。例如，以太网类型值为1。hlen(1字节)，硬件地址长度，表示客户端硬件地址的字节数。例如，以太网地址长度为6字节。hops(1字节)，跳数，用于DHCP中继代理，指示报文经过的中继代理数量。客户端设置为0，也能被一个代理服务器设置，超过某个阈值之后，就会丢弃报文。xid(4字节)，事务ID，用于将请求与响应匹配。客户端生成一个随机数，服务器在响应中使用相同的值，服务器和客户端用来在它们之间交流请求和响应，客户端用它对请求和应答进行匹配。secs(2字节)，客户端启动以来的秒数。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flags(2字节)：标志位，指示客户端的某些特性。此字段在BOOTP中保留未用，在DHCP中表示标志字段。最常用的是广播标志(0x8000)，表示服务器应该使用广播而不是单播来响应，全零表示服务器应该用单播报文来回复(只有最低位被使用，其余位都是零)。ciaddr(4字节)，客户端IP地址，客户端在续租时使用。客户端处于Bound、Renew、Rebinding状态，并且能响应ARP请求时，才能被填充。客户端初始状态没有地址的时候，可填充0.0.0.0地址。yiaddr(4字节)，服务器分配给客户端的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。仅在DHCP服务器发送的Offer和ACK报文中显示，其他报文中显示为0。siaddr(4字节)，服务器IP地址，用于引导程序下载。表明DHCP协议流程的下一个阶段要使用的服务器的IP地址。giaddr(4字节)，网关IP地址，DHCP中继代理使用，表示中继代理的IP地址。当客户端发出DHCP请求时，如果服务器和客户端不在同一个网络中，那么第一个DHCP中继在转发这个DHCP请求报文时会把自己的IP地址填入此字段。服务器会根据此字段来判断出网段地址，从而选择为用户分配地址的地址池。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。chaddr(16字节)，客户端硬件地址。与前面的硬件地址类型和硬件地址长度保持一致，当客户端发出DHCP请求时，将自己的硬件地址填入此字段sname(64字节)，服务器名称，用于引导程序下载。此字段由DHCP Server填写，是可选的，如果填写，必须是一个以0结尾的字符串。file(128字节)，引导文件名，用于引导程序下载。此字段由DHCP Server填写，是可选的，如果填写，必须是一个以0结尾的字符串。options(可变长度)，选项字段，包含了附加的配置参数，如子网掩码、网关、DNS服务器等。选项字段以"魔术字节"(0x63,0x82,0x53,0x63)开头，后跟一系列的选项代码、长度和值，选项字段以255(0xFF)结束，至少为312字节。

2.2 BOOTP报文格式

DHCPv4是在BOOTP的基础上发展而来的，因此它们的报文格式基本一致：

DHCPv4和BOOTP使用相同的UDP端口。服务器使用端口67，客户端使用端口68。

它们的报文格式基本相同，都包含固定长度的字段，如操作码、硬件地址类型、硬件地址长度、跳数、事务ID、客户端IP地址、你的IP地址、服务器IP地址等。

它们都使用"魔术字节"（0x63,0x82,0x53,0x63）来标识选项字段的开始。

BOOTP的供应商信息字段对应于DHCPv4的选项字段，用于传递附加的配置参数。

DHCPv4在Bootp基础上，对报文的字段进行了增强解释和使用，如下：

标志位(flags)，DHCPv4引入了广播标志(0x8000)，用于指示服务器是否应该使用广播来响应客户端，而BOOTP没有这个标志位。硬件地址长度(hlen)，BOOTP的硬件地址长度固定为16字节，而DHCPv4的硬件地址长度可以根据实际的硬件地址类型而变化，以太网地址长度为6字节。文件字段(file)和服务器名称字段(sname)，在BOOTP中，这两个字段用于引导程序下载，而在DHCPv4中，这两个字段可以被选项覆盖（通过Option Overload选项），用于传递额外的选项数据。选项字段(options)，DHCPv4引入了许多新的选项，如DHCP消息类型、租约时间、续约时间等，这些选项在BOOTP中没有定义。

BOOTP主要用于无盘工作站的IP地址分配和引导程序下载，而DHCPv4除了IP地址分配外，还支持传递更多的网络配置参数，如子网掩码、默认网关、DNS服务器等，适用于各种类型的网络设备。

2.3 DHCP报文选项

DHCP选项的格式如下:

| -- 选项标签(8 bit) -- | -- 选项长度(8 bit) -- | -- 选项值(可变) -- |

除了空白和结束填充选项之外，其他选项都由上面TLV格式组成，常见选项如下:

标签(代码)	名称	描述
0	Pad	填充选项，用于将选项字段填充到特定的边界
1	子网掩码	指定客户端的子网掩码
3	路由器	指定客户端的默认网关
6	域名服务器	指定客户端的DNS服务器
12	主机名	指定客户端的主机名
15	域名	指定客户端的域名
50	请求的IP地址	客户端请求的特定IP地址
51	IP地址租约时间	指定分配给客户端的IP地址租约期
53	DHCP消息类型	指定DHCP消息的类型（如DHCPDISCOVER、DHCPOFFER等）
54	服务器标识符	标识DHCP服务器的IP地址
56	消息	服务器向客户端发送的错误消息或其他信息
58	续约时间	客户端在IP地址租约过期前，应该开始尝试续约的时间
59	重绑定时间	如果客户端无法与原始服务器续约，它应该开始广播请求新的租约的时间
55	参数请求列表	客户端请求的特定配置参数列表
61	客户端标识符	唯一标识客户端的信息
255	End	选项字段的结束标记，表示没有更多的选项

当DHCP报文的选项字段长度超过了可用空间时，可以使用选项超载(Option Overload)机制来扩展选项字段。选项超载通过复用DHCP报文中的"文件名"（File）和"服务器主机名"（Sname）字段来传递额外的选项数据。

选项超载的工作原理如下：

在DHCP报文的选项字段中添加"Option Overload"选项（代码52），用于指示选项数据的存储位置。"Option Overload"选项的值指定了额外选项数据的存储位置： 值为1：表示额外的选项数据存储在"文件名"字段中。值为2：表示额外的选项数据存储在"服务器主机名"字段中。值为3：表示额外的选项数据同时存储在"文件名"和"服务器主机名"字段中。 接收方根据"Option Overload"选项的值，从相应的字段中读取额外的选项数据。

假设一个DHCP服务器需要为客户端分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器，并且还需要传递一些自定义的配置参数。选项字段的长度超过了可用空间，服务器决定使用选项超载机制。

DHCP报文的选项字段可能如下：

Option 53 (DHCP Message Type): DHCP OfferOption 1 (Subnet Mask): 255.255.255.0Option 3 (Router): 192.168.1.1Option 6 (Domain Name Server): 8.8.8.8, 8.8.4.4Option 52 (Option Overload): 1

额外的选项数据存储在"文件名"字段中：

Option 128 (Custom Option): 0x01020304Option 129 (Custom Option): "example.com"

当客户端收到这个DHCP Offer报文时，它会检查"Option Overload"选项，发现额外的选项数据存储在"文件名"字段中，然后从该字段中读取并解析额外的选项数据，获得完整的配置信息。

2.4 DHCP消息类型

DHCP消息类型选项(选项代码53)是DHCP协议中最关键的选项之一，它用于标识DHCP消息的类型，以便客户端和服务器能够正确地解释和响应彼此的消息，每个DHCP消息都必须包含这个选项。

代码	消息类型	描述
1	DHCPDISCOVER	客户端广播寻找可用的DHCP服务器
2	DHCPOFFER	DHCP服务器提供可用的IP地址和配置参数
3	DHCPREQUEST	客户端请求特定的IP地址，或者确认接受DHCP服务器的提议
4	DHCPDECLINE	客户端拒绝DHCP服务器提供的IP地址
5	DHCPACK	DHCP服务器确认客户端的IP地址请求
6	DHCPNAK	DHCP服务器拒绝客户端的IP地址请求
7	DHCPRELEASE	客户端释放IP地址，通知DHCP服务器
8	DHCPINFORM	客户端请求额外的配置参数，但不请求IP地址

DHCP客户端和服务器通过这些消息类型来协调IP地址分配和网络配置的过程：

客户端广播DHCPDISCOVER消息，寻找可用的DHCP服务器。DHCP服务器响应DHCPOFFER消息，提供可用的IP地址和其他配置参数。客户端选择一个DHCP服务器，并发送DHCPREQUEST消息，请求特定的IP地址或确认接受服务器的提议。DHCP服务器发送DHCPACK消息，确认客户端的IP地址请求；或者发送DHCPNAK消息，拒绝客户端的请求。

DHCP服务器处理的消息类型：

DHCPDISCOVER，服务器接收客户端广播的DHCPDISCOVER消息：

服务器根据自己的IP地址池和配置策略，选择一个可用的IP地址，并准备其他必要的配置参数。服务器生成DHCPOFFER消息，提供选定的IP地址和配置参数。

DHCPREQUEST，服务器接收客户端发送的DHCPREQUEST消息，该消息可以是广播或单播。

服务器检查DHCPREQUEST消息中请求的IP地址是否与之前提供的一致。如果IP地址匹配，服务器生成DHCPACK消息，确认客户端的IP地址请求。如果IP地址不匹配或者客户端请求的IP地址无效，服务器生成DHCPNAK消息，拒绝客户端的请求。

DHCPDECLINE，服务器接收客户端广播的DHCPDECLINE消息，表示客户端拒绝接受分配的IP地址。

服务器将该IP地址标记为不可用，以避免将其分配给其他客户端。

DHCPRELEASE，服务器接收客户端单播的DHCPRELEASE消息，表示客户端释放分配的IP地址。

服务器将该IP地址标记为可用，以便将其分配给其他客户端。

DHCPINFORM，服务器接收客户端单播的DHCPINFORM消息，请求额外的配置参数。

服务器生成DHCPACK消息，提供请求的配置参数，但不分配IP地址。

DHCP客户端处理的消息类型(服务端是否发送广播与客户端请求报文的flags有关)：

DHCPOFFER，客户端接收服务器单播或广播的DHCPOFFER消息，其中包含服务器提供的IP地址和配置参数。

客户端选择一个DHCPOFFER，并准备发送DHCPREQUEST消息。

DHCPACK，客户端接收服务器单播或广播的DHCPACK消息，确认之前请求的IP地址和配置参数。

客户端配置网络接口，使用分配的IP地址和配置参数。

DHCPNAK，客户端接收服务器单播或广播的DHCPNAK消息，表示服务器拒绝客户端的IP地址请求。

客户端重新开始DHCP流程，发送新的DHCPDISCOVER消息。

2.5 DHCP服务端

该表格信息来自RFC 2131: Dynamic Host Configuration Protocol (rfc-editor.org)

根据RFC 2131文档的4.3.1节，以太网环境下DHCP服务器发送的三种消息(DHCPOFFER、DHCPACK和DHCPNAK)的报文字段如下：

字段	DHCPOFFER	DHCPACK	DHCPNAK
操作码(op)	2(响应消息)	2(响应消息)	2(响应消息)
硬件地址类型(htype)	1	1	1
硬件地址长度(hlen)	6	6	6
中继跳跃步数(hops)	0	0	0
事务ID(xid)	DHCPDISCOVER的xid	DHCPREQUEST的xid	DHCPREQUEST的xid
secs	0	0	0
ciaddr	0	0或者 DHCPREQUEST的客户端地址	0
yiaddr	提供给客户端的IP地址	提供给客户端的IP地址	0
siaddr	0或者下一个服务器地址	0或者下一个服务器地址	0
flags	DHCPDISCOVER的flags	DHCPREQUEST的flags	DHCPREQUEST的flags
giaddr	DHCPDISCOVER的giaddr	DHCPREQUEST的giaddr	DHCPREQUEST的giaddr
chaddr	DHCPDISCOVER的chaddr	DHCPREQUEST的chaddr	DHCPREQUEST的chaddr
sname	服务器主机名或空	服务器主机名或空	空
file	启机文件名或空	启机文件名或空	空
options	必须包含选项	必须包含选项	必须包含选项

选项字段的要求如下：

Option	DHCPOFFER	DHCPACK	DHCPNAK
Requested IP address	MUST NOT	MUST NOT	MUST NOT
IP address lease time	MUST	MUST (DHCPREQUEST) MUST NOT (DHCPINFORM)	MUST NOT
Use ‘file’/‘sname’ fields	MAY	MAY	MUST NOT
DHCP message type	DHCPOFFER	DHCPACK	DHCPNAK
Parameter request list	MUST NOT	MUST NOT	MUST NOT
Message	SHOULD	SHOULD	SHOULD
Client identifier	MUST NOT	MUST NOT	MAY
Vendor class identifier	MAY	MAY	MAY
Server identifier(54)	MUST	MUST	MUST
Maximum message size	MUST NOT	MUST NOT	MUST NOT
All others	MAY	MAY	MUST NOT

必须包含的选项有三类：消息类型（option 53）、服务器标识符（option 54）、IP地址租约时间（option 51，DHCPOFFER和DHCPACK）。

2.6 DHCP客户端

可参考文档：RFC 2131: Dynamic Host Configuration Protocol (rfc-editor.org)

根据RFC 2131文档的4.4.1节，DHCP客户端发送的消息（DHCPDISCOVER、DHCPREQUEST、DHCPDECLINE、DHCPRELEASE和DHCPINFORM）的字段如下：

字段	DHCPDISCOVER	DHCPREQUEST	DHCPDECLINE	DHCPRELEASE	DHCPINFORM
op	1	1	1	1	1
htype	1	1	1	1	1
hlen	6	6	6	6	6
hops	0	0	0	0	0
xid	随机生成	DHCPOFFER的xid	随机生成	随机生成	随机生成
secs	0或已过秒数	0或已过秒数	0	0	0或已过秒数
flags	0或1	0或1	0	0	0或1
ciaddr	0	'ciaddr’或0	0	‘ciaddr’	‘ciaddr’
yiaddr	0	0	0	0	0
siaddr	0	0	0	0	0
giaddr	0	0	0	0	0
chaddr	客户端硬件地址	客户端硬件地址	客户端硬件地址	客户端硬件地址	客户端硬件地址
sname	服务器主机名或空	服务器主机名或空	空	空	服务器主机名或空
file	启机文件名或空	启机文件名或空	空	空	启机文件名或空
options	必须包含选项	必须包含选项	必须包含选项	必须包含选项	必须包含选项

补充说明：

‘xid’：DHCPOFFER或DHCPACK消息中的’xid’字段，用于标识客户端的请求。‘ciaddr’：客户端的IP地址，如果客户端已经有IP地址（在DHCPREQUEST、DHCPRELEASE和DHCPINFORM消息中），则填写该地址；否则为0。‘giaddr’：网关IP地址，如果客户端通过中继代理发送DHCPREQUEST消息，则填写中继代理的IP地址。flags字段中的广播标志(1位)可以设置为0或1，指示服务器是否应该将响应作为广播发送。

options字段必须包含以下选项：

DHCPDISCOVER：客户端标识符(如果已知)、请求的参数列表、最大DHCP消息大小、vendor class identifier(可选)。DHCPREQUEST：客户端标识符(如果已知)、请求的IP地址(如果在SELECTING状态)、服务器标识符（如果在SELECTING状态）、请求的参数列表、最大DHCP消息大小、vendor class identifier(可选)。DHCPDECLINE：服务器标识符、请求的IP地址。DHCPRELEASE：服务器标识符。DHCPINFORM：请求的参数列表、最大DHCP消息大小、vendor class identifier(可选)。

3. 工作流程

3.1 DHCP服务器地址分配方式

DHCP服务器有三种主要的IP地址分配方式：

自动分配(Automatic Allocation)，DHCP服务器从定义的IP地址池中为客户端分配一个永久的IP地址。

客户端第一次请求IP地址时，服务器会为其分配一个特定的IP地址，并将该地址与客户端的MAC地址关联。在客户端的生命周期内，它将一直使用这个分配的IP地址，除非管理员手动更改。自动分配适用于需要长期稳定IP地址的客户端，如服务器或网络打印机。

动态分配(Dynamic Allocation)，DHCP服务器从定义的IP地址池中为客户端分配一个临时的IP地址，并设置一个租约时间。

客户端在租约时间内可以使用这个IP地址，租约到期后必须续租或请求新的IP地址。如果客户端在租约到期前释放IP地址或租约到期后未续租，服务器将回收该IP地址，并可以将其分配给其他客户端。动态分配适用于对IP地址需求灵活、网络中客户端频繁变化的环境，如办公网络或公共Wi-Fi。

手动分配(Manual Allocation)，管理员手动为特定的客户端分配固定的IP地址，通常基于客户端的MAC地址。

手动分配的IP地址不属于DHCP服务器的IP地址池，而是单独保留给指定的客户端。客户端请求IP地址时，DHCP服务器会检查客户端的MAC地址，并分配预先配置的固定IP地址。手动分配适用于需要固定IP地址的特殊设备，或需要严格控制IP地址分配的网络环境。

除了这三种主要的分配方式，DHCP服务器还可以通过以下方式优化IP地址分配：

IP地址保留(Reservation)，为特定的MAC地址预留固定的IP地址，确保客户端始终获得相同的IP地址。

地址排除(Exclusion)，从DHCP服务器的IP地址池中排除特定的IP地址或地址范围，防止这些地址被分配给客户端。

地址范围划分(Scopes)，将IP地址池划分为多个范围，每个范围对应不同的网络区域或客户端类型，方便管理和控制IP地址分配。

3.2 DHCP客户端接入网络流程

DHCP客户端和服务器交互示意图，来自华为IP知识百科：什么是DHCP？为什么要用DHCP？ - 华为 (huawei.com)

一台新设备通过DHCP获取网络地址的流程通常包括以下步骤：

(1) 客户端广播DHCP Discover消息，DHCP客户端启动时，本机接口上没有IP地址，通过本地链路发送广播报文寻找服务器：

本地链路广播报文，因此源mac为接口mac地址，目的mac为广播mac地址(FF:FF:FF:FF:FF:FF)。由于没有接口IP，所以源IP地址为0.0.0.0，目标IP地址为255.255.255.255(受限广播地址)，UDP报文的源端口为68，目的端口为67。事务ID(xid)由客户端生成的随机数，用于标识该次交互。标志flags根据客户端的情况设置为单播或者广播，会影响到服务器DHCPOFFER报文的回复情况。DHCP消息类型设置为1，表示DHCPDISCOVER。

(2) 服务器广播/单播DHCP Offer消息，DHCP服务器收到DHCPDISCOVER报文后，会给客户端提供IP地址和租期等信息：

DHCP服务器从其管理的IP地址池中选择一个可用的IP地址，并发送一个DHCPOFFER消息给客户端，其中包含IP地址、子网掩码、地址租期等信息。DHCP服务器可以回复二层单播或者广播报文，单播报文的目的mac地址是客户端mac地址。源IP地址为DHCP服务器的IP地址，目标IP地址为255.255.255.255(广播地址)，目的IP为广播地址不代表二层转发是广播转发。目标IP某些DHCP实现也会用分配的客户端IP代替。事务ID(xid)，与DHCPDISCOVER消息中的xid相同。分配的IP地址(yiaddr)，服务器提供给客户端的IP地址。服务器标识符(option 54)，DHCP服务器的IP地址，标准实现必须提供服务器标识符。DHCP消息类型设置为2，表示DHCPOFFER。

(3) 客户端广播DHCPRequest消息，DHCP客户端从收到的DHCPOFFER消息中选择合适的服务端进行回复。

客户端收到一个或多个DHCPOFFER消息后，选择其中一个服务器提供的IP地址，并广播/单播一个DHCPREQUEST消息。源IP地址为0.0.0.0，目标IP地址为255.255.255.255(受限广播地址)。事务ID(xid)，与DHCPDISCOVER消息中的xid相同。请求的IP地址(option 50)，客户端选择的IP地址。服务器标识符(option 54)，提供所选IP地址的DHCP服务器的IP地址。DHCP消息类型设置为3，表示DHCPREQUEST。

(4) 服务端广播/单播DHCP Ack消息，DHCP服务器收到DHCPRequest消息后，通过DHCPACK消息回复客户端：

DHCP服务器收到DHCPREQUEST消息后，确认客户端的IP地址请求，并发送一个DHCPACK消息给客户端。对于广播消息，源IP地址为DHCP服务器的IP地址，目标IP地址为255.255.255.255(广播地址)。对于单播消息，源IP地址为DHCP服务器的IP地址，客户端的IP地址(如果客户端在DHCPREQUEST消息中设置了ciaddr字段)。交易ID(xid)，与DHCPREQUEST消息中的xid相同。分配的IP地址(yiaddr)，确认客户端请求的IP地址。DHCP消息类型设置为5，表示DHCPACK。

客户端在接收到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，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服务器，拒绝此IP地址租约，并重新发送DHCP discover信息。

3.3 DHCP客户端续租

DHCP客户端续租交互示意图，来自华为IP知识百科：什么是DHCP？为什么要用DHCP？ - 华为 (huawei.com)

DHCP客户端在获得IP地址后，需要在租约期限内定期续租，以下是DHCP客户端续租的流程：

(1) T1时间点(Renewal时间点)，T1时间点是租约时间的50%，例如，如果租约时间为8天，则T1时间点为4天。

当客户端达到T1时间点时，它会尝试与为其提供IP地址的DHCP服务器联系，以续租其IP地址。客户端向DHCP服务器发送一个DHCPREQUEST消息。客户端IP地址(ciaddr)，客户端当前使用的IP地址。服务器标识符(option 54)，提供客户端当前IP地址的DHCP服务器的IP地址。此DHCPREQUEST消息以单播方式发送给DHCP服务器。

(2) DHCP服务器响应，如果DHCP服务器可以续租客户端的IP地址，它会响应一个DHCPACK消息，确认续租请求。

客户端IP地址（ciaddr）：确认客户端当前使用的IP地址。

租约时间（option 51）：更新后的租约时间。

客户端收到DHCPACK消息后，更新其租约时间，并继续使用当前的IP地址。

(3) T2时间点(Rebinding时间点)，T2时间点是租约时间的87.5%，例如，如果租约时间为8天，则T2时间点为7天。

如果客户端在T1时间点之后未能从DHCP服务器收到DHCPACK消息，则在达到T2时间点时，客户端会尝试与任何DHCP服务器联系以续租其IP地址。客户端会广播一个DHCPREQUEST消息，以便任何DHCP服务器都可以响应。客户端IP地址(ciaddr)，客户端当前使用的IP地址。

(4) DHCP服务器响应，任何收到DHCPREQUEST消息的DHCP服务器都可以响应一个DHCPACK消息，确认续租请求。

DHCPACK消息包含与步骤2中相同的重要字段。客户端收到DHCPACK消息后，更新其租约时间，并继续使用当前的IP地址。

如果客户端在T2时间点之后仍未收到DHCPACK消息，则它必须停止使用当前的IP地址，并重新启动DHCP流程，从DHCPDISCOVER阶段开始请求新的IP地址。

3.4 DHCP中继场景接入网络流程

DHCP中继场景交互示意图，来自华为IP知识百科：什么是DHCP？为什么要用DHCP？ - 华为 (huawei.com)

在DHCP中继场景下，DHCP客户端和服务器之间的交互流程与直连场景类似，以下是DHCP中继场景下的大致流程：

(1) DHCP Discover，客户端广播DHCPDISCOVER消息，请求IP地址。

DHCP中继代理（通常是路由器）接收到DHCPDISCOVER消息。中继代理将DHCPDISCOVER消息中的giaddr字段设置为自己的IP地址，并将消息转发给DHCP服务器。

(2) DHCP Offer，DHCP服务器收到转发的DHCPDISCOVER消息，选择一个可用的IP地址，并发送DHCPOFFER消息给中继代理。

中继代理接收到DHCPOFFER消息，将其转发给客户端。

(3) DHCP Request，客户端接收到一个或多个DHCPOFFER消息，选择其中一个，并广播DHCPREQUEST消息。

中继代理接收到DHCPREQUEST消息，将其转发给DHCP服务器。

(4) DHCP Ack，DHCP服务器收到转发的DHCPREQUEST消息，确认IP地址分配，并发送DHCPACK消息给中继代理。

中继代理接收到DHCPACK消息，将其转发给客户端。

与直连场景相比，DHCP中继场景有以下主要差异：

中继代理的作用，在DHCP中继场景下，客户端和服务器之间存在一个或多个中继代理(通常是路由器)。

giaddr字段的使用，在DHCP中继场景下，中继代理将自己的IP地址插入到DHCPDISCOVER和DHCPREQUEST消息的giaddr字段中。DHCP服务器使用giaddr字段来识别客户端所在的子网，并选择适当的IP地址进行分配。

消息转发，在DHCP中继场景下，客户端和服务器之间的DHCP消息由中继代理进行转发。

在DHCP客户端视角，DHCP中继与DHCP服务器一样，交互流程和直连场景无异。在DHCP中继和DHCP服务器之间，所有交互报文都是单播报文，两者的IP信息都是固定的，因此无需通过广播报文进行发现和查找。

3.5 DHCP客户端状态机

DHCP客户端状态变更图，来自37 张图详解 DHCP ：给你 IP 地址的隐形人 - 知乎 (zhihu.com)

非常推荐这篇文档，里面有很多简洁易懂的图，可以用来直观形象的感受DHCP工作流程。

DHCP客户端的状态机流程图描述了客户端在获取、使用和更新IP地址时所经历的不同状态，如下所示:

初始(INIT)状态：

客户端开始DHCP进程，准备请求IP地址。客户端转换到SELECTING状态。

选择(SELECTING)状态：

客户端广播DHCPDISCOVER消息，请求IP地址。当客户端收到一个或多个DHCPOFFER消息时，它选择其中一个服务器，并转换到REQUESTING状态。

请求(REQUESTING)状态：

客户端向选定的服务器发送DHCPREQUEST消息，请求所选的IP地址。如果客户端收到DHCPACK消息，表示服务器确认了IP地址分配，客户端转换到BOUND状态。如果客户端收到DHCPNAK消息，表示服务器拒绝了IP地址请求，客户端返回到INIT状态。

绑定(BOUND)状态：

客户端已成功获得一个IP地址，并可以使用它进行网络通信。当租约时间的50%（T1时间点）过去后，客户端转换到RENEWING状态。如果租约时间过期，客户端返回到INIT状态。

更新(RENEWING)状态：

客户端向原DHCP服务器发送DHCPREQUEST消息，请求续租其IP地址。如果客户端收到DHCPACK消息，表示服务器确认了续租请求，客户端返回到BOUND状态。如果租约时间的87.5%（T2时间点）过去后，客户端转换到REBINDING状态。

重新绑定(REBINDING)状态：

客户端向所有DHCP服务器广播DHCPREQUEST消息，请求续租其IP地址。如果客户端收到DHCPACK消息，表示服务器确认了续租请求，客户端返回到BOUND状态。如果租约时间过期，客户端返回到INIT状态。

3.6 DHCP认证

DHCP认证是一种安全机制，用于验证DHCP客户端的身份，并确保只有经过授权的客户端才能获得IP地址和其他网络配置参数。

DHCP认证通常使用DHCP消息中的认证选项（Option 90）来携带认证信息。常见的DHCP认证协议包括DHCP Authentication Protocol (RFC 3118)和DHCP Delayed Authentication Protocol (RFC 4030)。

DHCP认证可以使用共享密钥或数字证书等方法来验证客户端的身份。

共享密钥认证：客户端和服务器使用预共享的密钥对DHCP消息进行签名和验证。数字证书认证：客户端使用数字证书对DHCP消息进行签名，服务器使用证书的公钥验证签名。

DHCP认证过程如下：

客户端在DHCPDISCOVER或DHCPREQUEST消息中包含认证选项，其中包含客户端的标识符和签名。服务器接收到包含认证选项的DHCP消息后，使用共享密钥或数字证书验证客户端的签名。如果认证成功，服务器会处理客户端的请求，并发送包含认证选项的DHCPOFFER或DHCPACK消息。如果认证失败，服务器会忽略客户端的请求，或发送DHCPNAK消息。

DHCP认证可以防止未经授权的客户端获得IP地址和其他网络资源。通过认证，管理员可以对网络接入进行更严格的控制，防止DHCP欺骗和其他类型的攻击。

4. 总结

DHCP协议是日常生活中到处可见的动态地址配置协议，相对而言比较复杂，涉及广播报文和8种消息类型的交互。

在深入学习和分析之后，主要可以分为DHCP客户端获取IP地址和租期续约两种流程。每种流程的消息类型和交互是固定样式，因此掌握起来并不难。

DHCP协议报文交互学习的一种有效方式是通过wireshar抓包分析实际报文，TCP详解和各种网页文档，基本都包含这步，所以本篇文档就不再重复这步，如下:

37 张图详解 DHCP ：给你 IP 地址的隐形人 - 知乎 (zhihu.com)DHCP协议详解 - 知乎 (zhihu.com)

这两份文档里面关于DHCP交互流程，介绍很充分，值得一看。

对于DHCPv6协议，整体上和DHCPv4类似，但是细节不同，下篇文档单独介绍。

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也信美人终作土，不堪幽梦太匆匆......

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