1.前言

DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议，简单来说就是主机获取IP地址的过程，属于应用层协议。DHCP采用UDP的68（客户端）和67（服务器）端口进行通信。

2.DHCP工作过程

为了动态获取并使用一个合法的IP地址，需要经历以下几个阶段：

发现阶段：即 DHCP 客户端寻找 DHCP 服务器的阶段。
提供阶段：即 DHCP 服务器提供 IP 地址的阶段。
选择阶段：即 DHCP 客户端选择某台 DHCP 服务器提供的 IP 地址的阶段。
确认阶段：即 DHCP 服务器确认所提供的 IP 地址的阶段。

IP地址的动态获取过程如图2所示，下面将详细介绍每个阶段的工作过程。

2.1 发现阶段

在发现阶段，DHCP客户端通过发送DHCP-DISCOVER报文来寻找DHCP服务器。由于DHCP服务器的IP地址对于客户端来说是未知的，所以DHCP客户端以广播方式发送DHCP-DISCOVER报文。所有收到DHCP-DISCOVER报文的DHCP服务器都会发送回应报文，DHCP客户端据此可以知道网络中存在的DHCP服务器的位置。

2.2 提供阶段

网络中接收到DHCP-DISCOVER报文的DHCP服务器，会选择一个合适的IP地址，连同IP地址租约期限和其他配置信息（如网关地址，域名服务器地址等）一同通过DHCP-OFFER报文发送给DHCP客户端。

DHCP服务器通过地址池保存可供分配的IP地址和其他配置信息。当DHCP服务器接收到DHCP请求报文后，将从IP地址池中取得空闲的IP地址及其他的参数，发送给DHCP客户端。

DHCP服务器为客户端分配IP地址的优先次序如下：

与客户端 MAC 地址或客户端 ID 静态绑定的 IP 地址；
DHCP 服务器记录的曾经分配给客户端的 IP 地址；
客户端发送的 DHCP-DISCOVER 报文中 Option 50 字段指定的 IP 地址；
在 DHCP 地址池中，顺序查找可供分配的 IP 地址，最先找到的 IP 地址；
如果未找到可用的 IP 地址，则依次查询租约过期、曾经发生过冲突的 IP 地址，如果找到则进行分配，否则将不予处理。

DHCP服务器为客户端分配IP地址时，服务器首先需要确认所分配的IP没有被网络上的其他设备所使用。DHCP服务器通过发送ICMP Echo Request（ping）报文对分配的IP进行探测。如果在规定的时间内没有应答，那么服务器就会再次发送ping报文。到达规定的次数后，如果仍没有应答，则所分配的IP地址可用。否则将探测的IP地址记录为冲突地址，并重新选择IP地址进行分配。

2.3 选择阶段

如果有多台DHCP服务器向DHCP客户端回应DHCP-OFFER报文，则DHCP客户端只接受第一个收到的DHCP-OFFER报文。然后以广播方式发送DHCP-REQUEST请求报文，该报文中包含Option 54（服务器标识选项），即它选择的DHCP服务器的IP地址信息。

以广播方式发送DHCP-REQUEST请求报文，是为了通知所有的DHCP服务器，它将选择Option 54中标识的DHCP服务器提供的IP地址，其他DHCP服务器可以重新使用曾提供的IP地址。

2.4 确认阶段

收到DHCP客户端发送的DHCP-REQUEST请求报文后，DHCP服务器根据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，则发送DHCP-ACK报文作为应答，通知DHCP客户端可以使用分配的IP地址。

DHCP客户端收到DHCP服务器返回的DHCP-ACK确认报文后，会以广播的方式发送免费ARP报文，探测是否有主机使用服务器分配的IP地址，如果在规定的时间内没有收到回应，客户端才使用此地址。否则，客户端会发送DHCP-DECLINE报文给DHCP服务器，通知DHCP服务器该地址不可用，并重新申请IP地址。

如果DHCP服务器收到DHCP-REQUEST报文后，没有找到相应的租约记录，或者由于某些原因无法正常分配IP地址，则发送DHCP-NAK报文作为应答，通知DHCP客户端无法分配合适IP地址。DHCP客户端需要重新发送DHCP-DISCOVER报文来请求新的IP地址。

3. DHCP报文格式

DHCP报文格式如下图所示：

DHCP报文的各个字段的具体说明如下：

op：报文的操作类型，分为请求报文和响应报文，1 为请求报文；2 为响应报文。具体的报文类型在 option 字段中标识。
htype：硬件地址类型。
hlen：硬件地址长度。系统目前只对以太网支持，硬件地址长度固定为 6。
hops：DHCP 报文经过的 DHCP 中继的数目。DHCP 请求报文每经过一个DHCP 中继，该字段就会增加 1。
xid：由客户端软件产生的随机数，用于匹配请求和应答报文。
secs：客户端进入 IP 地址申请进程的时间或者更新 IP 地址进程的时间；由客户端软件根据情况设定。目前没有使用，固定为 0。
flags：标志字段。第一个比特为广播响应标识位，用来标识 DHCP 服务器响应报文是采用单播还是广播方式发送，0 表示采用单播方式，1 表示采用广播方式。其余比特保留不用。
ciaddr：DHCP 客户端的 IP 地址。
yiaddr：DHCP 服务器分配给客户端的 IP 地址。
siaddr：DHCP 客户端获取 IP 地址等信息的服务器 IP 地址。
giaddr：DHCP 客户端发出请求报文后经过的第一个 DHCP 中继的 IP 地址。
chaddr：DHCP 客户端的硬件地址。
sname：DHCP 客户端获取 IP 地址等信息的服务器名称。
file：DHCP 服务器为 DHCP 客户端指定的启动配置文件名称及路径信息。
options：可选变长选项字段，包含报文的类型、有效租期、DNS 服务器的IP 地址、WINS 服务器的 IP 地址等配置信息。