DHCP技术原理详解

今天给大家讲解一下DHCP的原理和技术细节。本文从DHCP基本原理、实现流程和DHCP重启后的流程和租约和续约机制三个方面对DHCP进行了全方位的讲解，基本上涵盖了DHCP的全方面。

一、DHCP基本原理

DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议，是一种可以使主机开机后自动获取IP地址、子网掩码、DNS等信息的技术手段。应用DHCP技术，不仅可以简化用户的上网流程，方便用户上网，如果从企业的角度来说，还可以实现对公司内部网络用户的管理。
DHCP是一种C/S模式的网络协议，要想实现DHCP功能，首先主机必须支持DHCP Client功能，其次网络中还必须拥有一台DHCP服务器，并且主机和该服务器之间必须能够正常通信。因为DHCP中有些报文时以广播的形式，因此DHCP Server和DHCP Client一般必须要在一个子网内。（后面我们会讲到，如果确实不在一个网段，还可以配置DHCP中继来解决这个问题）
DHCP服务器，既可以是一台主机，华为和思科系列路由交换设备也可以实现DHCP服务器功能。
DHCP使用UDP协议实现通信，网络层协议号字段为0x11，DHCP Client端口号68，DHCP Server端口67。

二、DHCP实现流程

DHCP实现流程一共有4个阶段，具体如下图所示：

（一）发现阶段

当主机刚刚开机运行，此时他不知道此时网络中是否存在DHCP服务器，DHCP服务器是谁，因此它必须首先确定网络中的DHCP服务器身份。因此，新上线主机会发送DHCP Discover报文，该报文是一个广播报文，源IP地址为0.0.0.0，目的IP地址为255.255.255.255。源MAC地址为自己的MAC地址，目的MAC地址为ffff-ffff-ffff。该报文会在二层网络中洪泛，因此如果网络中存在DHCP服务器，则DHCP服务器会收到该报文。

（二）提供阶段

当网络中的DHCP服务器收到了DHCP Client发送的DHCP报文后，DHCP就进入了提供阶段。在这个阶段，DHCP Server会根据管理员的相关配置，给DHCP Client提供一个可用的IP地址，同时给其提供DNS、子网掩码等信息。
DHCP Server会发送DHCP Offer信息给DHCP Client提供上述信息，该报文也是一个广播报文，源IP地址为DHCP Server的IP地址，目的IP地址为DHCP Server给该DHCP Client分配的IP地址，源MAC地址为DHCP Server的MAC地址，目的MAC地址为DHCP Client的MAC地址。（注，在这里有的设备上DHCP Offer报文也是广播，其实也能够实现DHCP的功能）

（三）请求阶段

在DHCP Client收到DHCP Server发送的DHCP Offer报文后，就进入了DHCP请求阶段，在DHCP请求阶段，DHCP已经得到了DHCP Server分配给它的IP地址，DHCP Client在得到该IP地址后，却不会马上使用，DHCP Client会向DHCP Server发送DHCP Request报文，正式向DHCP Server申请使用该IP地址。
DHCP Request报文，源IP地址为0.0.0.0（因为这时还没有得到DHCP服务器的回应，因此此时这个IP地址还不能正常使用，因此在这里源IP地址还是0.0.0.0）。目的地址为255.255.255.255。（注：在这里其实DHCP Client其实已经知道了DHCP Server的IP地址，因此其实这里使用DHCP Server的IP地址其实也是可以的，因此，有些设备对此做了优化，因为这样可以减少网络中的广播洪范流量）源MAC和目的MAC地址分别是DHCP Client的和DHCP Server的MAC地址。

（四）确认阶段

当DHCP Server收到DHCP Client发送的DHCP Request报文后，DHCP进入确认阶段。DHCP Server会向DHCP Client发送DHCP Reply报文，表示同意DHCP Client使用该IP地址。
DHCP Reply报文（有时也被称为DHCP ACK报文），源IP地址为DHCP Server的IP地址，目的IP地址为DHCP Client的IP地址，源目MAC为DHCP Server和Client的MAC地址。

三、重启PC后的DHCP过程及DHCP续约机制

（一）重启PC后的DHCP过程

目前，PC机对于DHCP有记忆功能，会记住当前网络中DHCP服务器的IP地址和上次分配给自己的IP地址。因此，当PC重启后，通常不会按照上述的4个步骤按部就班的申请IP地址，而是通常会直接进入第三个阶段，直接向DHCP Server发送DHCP Request报文，请求自己上一次获得的IP地址。如果DHCP同意，则会回应DHCP Reply报文，如果该IP地址已经被占用，或者其他情况造成DHCP Server不把该IP地址分配给DHCP Client，则DCHP Server会回应DHCP NACK报文，表示拒绝。这时，PC就必须重新进行DHCP四个阶段。

（二）DHCP续约机制

DHCP存在租约和续约机制，在默认情况下，当PC机申请到一个DHCP地址后，使用时间为一天，管理员也可以手动修改该时间，最短为1小时。当PC申请的DHCP IP地址到达租约时间后，该IP地址就不可以继续使用，因此PC会在租约到期之前进行续约。
通常情况下，DHCP Client会进行两次续约，一次是在租约期的50%时候，DHCP Cient会向DHCP Server发送DHCP Reqruest报文，如果收到DHCP Server的回应，则续约成功。第二次续约是在租约期的87.5%的时候，DHCP会再次向DHCP Server发送DHCP Request报文，申请租约。如果此时仍为收到DHCP响应的DCHP ACK报文，则就必须要重新进行DHCP的四个阶段，重新申请IP地址。
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