1 前言
最近部门内部成立一个网络兴趣小组，初衷是通过网络知识学习，在遇到网络问题时能够承担起一个与网络侧同学有效沟通的“连接人”的角色，求学这么多年其实也陆续学了不少的网络相关课程，本科的计算机网络、硕士的高等计网等，不过当时大多都停留在理论层面，趁此机会对之前学习到的相关理论知识进行实验。本次的文章主要记录了利用GNS3网络模拟器搭建一个DHCP服务器，在两个DHCP服务器之前又采用RIP来连接，并在文章中记录了实验结果及使用wireshark工具抓取的数据包分析…
2 DHCP知识回顾
2.1 什么是DHCP？
DHCP(Dynamic HostConfigurationProtocol),动态主机配置协议，是一个应用层协议。当我们将客户主机ip地址设置为动态获取方式时，DHCP服务器就会根据DHCP协议给客户端分配IP，使得客户机能够利用这个IP上网。
DHCP前身是BOOTP，在Linux的网卡配置中也能看到显示的是BOOTP，DHCP引进一个bootp没有的概念：租约。bootp分配的地址是永久的，而dhcp分配的地址是可以有期限的。DHCP分为两个部分：一个是服务器端，另一个是客户端。
2.2 DHCP作用及特点
- DHCP可以自动分配IP、子网掩码、网关、DNS。
- DHCP客户端使用的端口68，服务端使用端口67，使用的UDP应用层的协议。
- DHCP一般不为服务器分配IP，因为他们要使用固定IP，所以DHCP一般只为办公环境的主机分配IP。
- DHCP服务器和客户端需要在一个局域网内，在为客户端分配IP的时候需要进行多次广播。但DHCP也可以为其他网段内主机分配IP，只要连接两个网段中间的路由器能转发DHCP配置请求即可，但这要求路由器配置中继功能。
2.3 DHCP分配IP方式？
- 自动分配（Automatic Allocation）（MAC地址与IP绑定）
自动分配是当DHCP客户端第一次成功地从DHCP服务器端分配到一个IP地址之后，就永远使用这个地址。这种方式适用于需要确保每个设备始终分配到相同IP地址的场景，例如服务器、打印机或网络设备。
- 动态分配（Dynamic Allocation）常用方式
动态分配是当DHCP客户端第一次从DHCP服务器分配到IP地址后，并非永久地使用该地址，每次使用完后，DHCP客户端就得释放这个IP地址，以给其他客户端使用。这种方式适用于大量移动设备连接到网络的场景，如公司办公室或公共无线网络。
- 手动分配
手动分配是由DHCP服务器管理员专门为客户端指定IP地址。
2.4 DHCP服务工作流程细节？
- 第一步：搜索阶段
当DHCP客户端第一次登录网络的时候，计算机发现本机上没有任何IP地址设定，将以广播方式发送DHCP discover发现信息来寻找DHCP服务器，即向255.255.255.255发送特定的广播信息。网络上每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收这个广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。（DHCP DISCOVER）
- 第二步：提供阶段
在网络中接收到DHCP discover发现信息的DHCP服务器就会做出响应，它从尚未分配的IP地址池中挑选一个分配给DHCP客户机，向DHCP客户机发送一个包含分配的IP地址和其他设置的DHCP offer提供信息。因为此时客户端还没有IP，所以返回信息也是以广播的方式返回的。（DHCP OFFER）
- 第三步：选择阶段
DHCP客户端接受到DHCP offer提供信息之后，选择第一个接收到的提供信息，然后以广播的方式回答一个DHCP request请求信息，该信息包含向它所选定的DHCP服务器请求IP地址的内容。（DHCP REQUEST）
- 第四步：确认阶段
当DHCP服务器收到DHCP客户端回答的DHCP request请求信息之后，便向DHCP客户端发送一个包含它所提供的IP地址和其他设置的DHCP ack确认信息，确认租约，并指定租约时长。告诉DHCP客户端可以使用它提供的IP地址。然后，DHCP客户机便将其TCP/IP协议与网卡绑定，另外，除了DHCP客户机选中的DHCP服务器外，其他的DHCP服务器将收回曾经提供的IP地址。（DHCP ACK）
- 重新登录
以后DHCP客户端每次重新登录网络时，就不需要再发送DHCP discover发现信息了，而是直接发送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request请求信息。当DHCP服务器收到这一信息后，它会尝试让DHCP客户机继续使用原来的IP地址，并回答一个DHCP ack确认信息。如果此IP地址已无法再分配给原来的DHCP客户机使用时，则DHCP服务器给DHCP客户机回答一个DHCP nack否认信息。当原来的DHCP客户机收到此DHCP nack否认信息后，它就必须重新发送DHCP discover发现信息来请求新的IP地址。
- 续租（未尝试）
DHCP服务器向DHCP客户机出租的IP地址一般都有一个租借期限，期满后DHCP服务器便会收回出租的IP地址。如果DHCP客户机要延长其IP租约，则必须更新其IP租约。DHCP客户机启动时和IP租约期限到达租约的50%时，DHCP客户机都会自动向DHCP服务器发送更新其IP租约的信息。
2.5 DHCP协议中的报文？
◦DHCP DISCOVER ：客户端开始DHCP过程发送的包，是DHCP协议的开始
◦DHCP OFFER ：服务器接收到DHCP DISCOVER之后做出的响应，它包括了给予客户端的IP（yiaddr）、客户端的MAC地址、租约过期时间、服务器的识别符以及其他信息
◦DHCP REQUEST ：客户端对于服务器发出的DHCP OFFER所做出的响应。在续约租期的时候同样会使用。
◦DHCP ACK ：服务器在接收到客户端发来的DHCP REQUEST之后发出的成功确认的报文。在建立连接的时候，客户端在接收到这个报文之后才会确认分配给它的IP和其他信息可以被允许使用。
◦DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的报文，表示服务器拒绝了客户端的请求。
◦DHCP RELEASE ：一般出现在客户端关机、下线等状况。这个报文将会使DHCP服务器释放发出此报文的客户端的IP地址
◦DHCP INFORM ：客户端发出的向服务器请求一些信息的报文
◦DHCP DECLINE :当客户端发现服务器分配的IP地址无法使用（如IP地址冲突时），将发出此报文，通知服务器禁止使用该IP地址。
3 DHCP实验
3.1 简单DHCP服务搭建
该实验分配的网段是192.168.1.0/24，将该网段用于分配PC的ip地址，该实验主要分为两个部分，DHCP服务器和单臂路由的配置
- 实验步骤
◦第一步，配置单臂路由。（注意：文中的命令时Cicso路由器，不同的网络设备命令存在区别）
“encapsulation dot1Q 2” 是一个网络命令，用于在以太网中配置IEEE 802.1Q VLAN封装。
int f1/0.1
encapsulation dot1Q 2
ip add 192.168.1.1 255.255.255.0
ex
int f1/0
no sh
ex
◦第二步，在交换机配置vlan。
conf t
int f1/0
sw t e d
sw m t
ex
◦第三步，将交换机和PC相连接的接口设置为acess模式，并制定允许vlan2的网络通过。
int f1/1
sw m a
sw a v 2
ex
int f1/2
sw m a
sw a v 2
ex
int f1/3
sw m a
sw a v 2
ex
int f1/4
sw m a
sw a v 2
ex
◦第四步，在路由器中配置DHCP地址池。
ip dhcp pool mypool
network 192.168.1.0 255.255.255.0
default-router 192.168.1.1
ex
◦第五步，测试PC自动获取ip的情况。
dhcp
3.2 结合wireshark分析DHCP服务器协议包
◦第一步，在箭头处抓包。
◦第二步，使用PC获取ip分配。
◦第三步，观测wireshark抓包情况
3.3 太平洋大学课程实验6-DHCP实验
实验地址链接：
https://cyberlab.pacific.edu/courses/comp177/labs/lab-6-dhcp
- 实验步骤
◦按照上面的简单dhcp服务器命令配置完成两个不同的dhcp服务器
◦在R1和R2之间开启RIP，操作命令如下：
conf t
int f0/1
ip add 192.168.0.1 255.255.255.252
no sh
ex
router rip
version 2
network 192.168.0.0
network 10.0.1.0
conf t
int f0/1
ip add 192.168.0.2 255.255.255.252
no sh
ex
router rip
version 2
network 192.168.0.0
network 10.0.1.0
- 实验结果
◦两个网段的PC都能够正常的通过dhcp服务器获取ip地址。
◦不同网段的PC可以相互ping通
3.4 接下来待完成实验？
- DHCP服务器跨网段提供服务？
如果DHCP服务器要跨网段提供服务，一样是四步请求，只不过是每一步中间都多了一个路由器和DHCP服务器之间的单播通信。
1）客户端广播方式发送报文，搜索DHCP服务器。所有机器包括路由器都收到报文，路由器配置了中继，知道搜索消息后单播给DHCP服务器；
2）DHCP服务器单播返回信息给路由器，路由器再广播给客户端；
3）客户端选择DHCP服务器提供的IP，并广播信息告诉它我选好了，路由器单播给DHCP服务器；
4）DHCP服务器收到信息将确认信息单播给路由器，路由器单播给客户端。
- 实现租约？
DHCP服务器向DHCP客户机出租的IP地址一般都有一个租借期限，期满后DHCP服务器便会收回出租的IP地址。如果DHCP客户机要延长其IP租约，则必须更新其IP租约。DHCP客户机启动时和IP租约期限到达租约的50%时，DHCP客户机都会自动向DHCP服务器发送更新其IP租约的信息。
4 总结
也算是利用这次调研的机会把DHCP理论知识和实践进行了下结合，期间还是遇到很多问题，不过最后通过一步步的搭建，看到最终PC能够正常的通过DHCP服务器获得ip地址确实还是很有成就感的。搭建简单的DHCP服务器场景因为不涉及到路由器交互，这块还是比较顺利的，在进行太平洋大学的实验课程时，在路由交互这块一直无法正常交互，导致两个网段的PC无法ping通，最终排查发现除了需要在R1上启用rip后配置168.1.0.0/24网段外，还需要添加10.0.1.0/24，R2上面同理。ok，后面会对这次遗留的两个待办问题进行探究，以上…
作者：京东科技 宋慧超
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