在IP網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)連接Internet的設(shè)備都需要分配唯一的IP地址。DHCP使網(wǎng)絡(luò)管理員能從中心結(jié)點(diǎn)監(jiān)控和分配IP地址。當(dāng)某臺(tái)計(jì)算機(jī)移到網(wǎng)絡(luò)中的其它位置時(shí)，能自動(dòng)收到新的IP地址。DHCP實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化分配IP地址不僅降低了配置和部署設(shè)備的時(shí)間，同時(shí)也降低了發(fā)生配置錯(cuò)誤的可能性。另外DHCP服務(wù)器可以管理多個(gè)網(wǎng)段的配置信息，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)段的配置發(fā)生變化時(shí)，管理員只需要更新DHCP服務(wù)器上的相關(guān)配置即可，實(shí)現(xiàn)了集中化管理。
總體來看，DHCP帶來了如下優(yōu)勢(shì)：
DHCP協(xié)議采用UDP作為傳輸協(xié)議，DHCP客戶端發(fā)送請(qǐng)求消息到DHCP服務(wù)器的68號(hào)端口，DHCP服務(wù)器回應(yīng)應(yīng)答消息給DHCP客戶端的67號(hào)端口。
只有跟DHCP客戶端在同一個(gè)網(wǎng)段的DHCP服務(wù)器才能收到DHCP客戶端廣播的DHCP DISCOVER報(bào)文。當(dāng)DHCP客戶端與DHCP服務(wù)器不在同一個(gè)網(wǎng)段時(shí)，必須部署DHCP中繼來轉(zhuǎn)發(fā)DHCP客戶端和DHCP服務(wù)器之間的DHCP報(bào)文。在DHCP客戶端看來，DHCP中繼就像DHCP服務(wù)器；在DHCP服務(wù)器看來，DHCP中繼就像DHCP客戶端。
無中繼場(chǎng)景時(shí)DHCP客戶端首次接入網(wǎng)絡(luò)的工作原理
如下圖所示，在沒有部署DHCP中繼的場(chǎng)景下，首次接入網(wǎng)絡(luò)DHCP客戶端與DHCP服務(wù)器的報(bào)文交互過程，該過程稱為DHCP報(bào)文四步交互。
第一步：發(fā)現(xiàn)階段
首次接入網(wǎng)絡(luò)的DHCP客戶端不知道DHCP服務(wù)器的IP地址，為了學(xué)習(xí)到DHCP服務(wù)器的IP地址，DHCP客戶端以廣播方式發(fā)送DHCP DISCOVER報(bào)文（目的IP地址為255.255.255.255）給同一網(wǎng)段內(nèi)的所有設(shè)備（包括DHCP服務(wù)器或中繼）。DHCP DISCOVER報(bào)文中攜帶了客戶端的MAC地址（chaddr字段）、需要請(qǐng)求的參數(shù)列表選項(xiàng)（Option55）、廣播標(biāo)志位（flags字段）等信息。
第二步：提供階段
與DHCP客戶端位于同一網(wǎng)段的DHCP服務(wù)器都會(huì)接收到DHCP DISCOVER報(bào)文，DHCP服務(wù)器選擇跟接收DHCP DISCOVER報(bào)文接口的IP地址處于同一網(wǎng)段的地址池，并且從中選擇一個(gè)可用的IP地址，然后通過DHCP OFFER報(bào)文發(fā)送給DHCP客戶端。
通常，DHCP服務(wù)器的地址池中會(huì)指定IP地址的租期，如果DHCP客戶端發(fā)送的DHCP DISCOVER報(bào)文中攜帶了期望租期，服務(wù)器會(huì)將客戶端請(qǐng)求的期望租期與其指定的租期進(jìn)行比較，選擇其中時(shí)間較短的租期分配給客戶端。
為了防止分配出去的IP地址跟網(wǎng)絡(luò)中其他客戶端的IP地址沖突，DHCP服務(wù)器在發(fā)送DHCP OFFER報(bào)文前通過發(fā)送源地址為DHCP服務(wù)器IP地址、目的地址為預(yù)分配出去IP地址的ICMP ECHO REQUEST報(bào)文對(duì)分配的IP地址進(jìn)行地址沖突探測(cè)。如果在指定的時(shí)間內(nèi)沒有收到應(yīng)答報(bào)文，表示網(wǎng)絡(luò)中沒有客戶端使用這個(gè)IP地址，可以分配給客戶端；如果指定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答報(bào)文，表示網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在使用此IP地址的客戶端，則把此地址列為沖突地址，然后等待重新接收到DHCP DISCOVER報(bào)文后按照前面介紹的選擇IP地址的優(yōu)先順序重新選擇可用的IP地址。
此階段DHCP服務(wù)器分配給客戶端的IP地址不一定是最終確定使用的IP地址，因?yàn)镈HCP OFFER報(bào)文發(fā)送給客戶端等待16秒后如果沒有收到客戶端的響應(yīng)，此地址就可以繼續(xù)分配給其他客戶端。通過下面的選擇階段和確認(rèn)階段后才能最終確定客戶端可以使用的IP地址。
第三步：選擇階段
如果有多個(gè)DHCP服務(wù)器向DHCP客戶端回應(yīng)DHCP OFFER報(bào)文，則DHCP客戶端一般只接收第一個(gè)收到的DHCP OFFER報(bào)文，然后以廣播方式發(fā)送DHCP REQUEST報(bào)文，該報(bào)文中包含客戶端想選擇的DHCP服務(wù)器標(biāo)識(shí)符（即Option54）和客戶端IP地址（即Option50，填充了接收的DHCP OFFER報(bào)文中yiaddr字段的IP地址）。
DHCP客戶端廣播發(fā)送DHCP REQUEST報(bào)文通知所有的DHCP服務(wù)器，它將選擇某個(gè)DHCP服務(wù)器提供的IP地址，其他DHCP服務(wù)器可以重新將曾經(jīng)分配給客戶端的IP地址分配給其他客戶端。
第四步：確認(rèn)階段
當(dāng)DHCP服務(wù)器收到DHCP客戶端發(fā)送的DHCP REQUEST報(bào)文后，DHCP服務(wù)器回應(yīng)DHCP ACK報(bào)文，表示DHCP REQUEST報(bào)文中請(qǐng)求的IP地址（Option50填充的）分配給客戶端使用。
DHCP客戶端收到DHCP ACK報(bào)文，會(huì)廣播發(fā)送免費(fèi)ARP報(bào)文，探測(cè)本網(wǎng)段是否有其他終端使用服務(wù)器分配的IP地址，如果在指定時(shí)間內(nèi)沒有收到回應(yīng)，表示客戶端可以使用此地址。如果收到了回應(yīng)，說明有其他終端使用了此地址，客戶端會(huì)向服務(wù)器發(fā)送DHCP DECLINE報(bào)文，并重新向服務(wù)器請(qǐng)求IP地址，同時(shí)，服務(wù)器會(huì)將此地址列為沖突地址。當(dāng)服務(wù)器沒有空閑地址可分配時(shí)，再選擇沖突地址進(jìn)行分配，盡量減少分配出去的地址沖突。
當(dāng)DHCP服務(wù)器收到DHCP客戶端發(fā)送的DHCP REQUEST報(bào)文后，如果DHCP服務(wù)器由于某些原因（例如協(xié)商出錯(cuò)或者由于發(fā)送REQUEST過慢導(dǎo)致服務(wù)器已經(jīng)把此地址分配給其他客戶端）無法分配DHCP REQUEST報(bào)文中Option50填充的IP地址，則發(fā)送DHCP NAK報(bào)文作為應(yīng)答，通知DHCP客戶端無法分配此IP地址。DHCP客戶端需要重新發(fā)送DHCP DISCOVER報(bào)文來申請(qǐng)新的IP地址。
有中繼場(chǎng)景時(shí)DHCP客戶端首次接入網(wǎng)絡(luò)的工作原理
有DHCP中繼的場(chǎng)景中，首次接入網(wǎng)絡(luò)的DHCP客戶端和DHCP服務(wù)器的工作原理與無中繼場(chǎng)景時(shí)DHCP客戶端首次接入網(wǎng)絡(luò)的工作原理相同。主要差異是DHCP中繼在DHCP服務(wù)器和DHCP客戶端之間轉(zhuǎn)發(fā)DHCP報(bào)文，以保證DHCP服務(wù)器和DHCP客戶端可以正常交互。下面僅針對(duì)DHCP中繼的工作原理進(jìn)行介紹。
如下圖所示，在部署DHCP中繼的場(chǎng)景下，首次接入網(wǎng)絡(luò)DHCP客戶端與DHCP服務(wù)器的報(bào)文交互過程。
第一步：發(fā)現(xiàn)階段
如果DHCP客戶端與DHCP服務(wù)器之間存在多個(gè)DHCP中繼，后面的中繼接收到DHCP DISCOVER報(bào)文的處理流程同前面所述。
第二步：提供階段
DHCP服務(wù)器接收到DHCP DISCOVER報(bào)文后，選擇與報(bào)文中g(shù)iaddr字段為同一網(wǎng)段的地址池，并為客戶端分配IP地址等參數(shù)，然后向giaddr字段標(biāo)識(shí)的DHCP中繼單播發(fā)送DHCP OFFER報(bào)文。
第三步：選擇階段
中繼接收到來自客戶端的DHCP REQUEST報(bào)文的處理過程同無中繼場(chǎng)景下的選擇階段。
第四步：確認(rèn)階段
中繼接收到來自服務(wù)器的DHCP ACK報(bào)文的處理過程同無中繼場(chǎng)景下的確認(rèn)階段。
DHCP客戶端重用曾經(jīng)使用過的地址的工作原理
DHCP客戶端非首次接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以重用曾經(jīng)使用過的地址。如下圖所示，DHCP客戶端與DHCP服務(wù)器交互DHCP報(bào)文，以重新獲取之前使用的IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，該過程稱為兩步交互。
第一步：選擇階段
客戶端廣播發(fā)送包含前一次分配的IP地址的DHCP REQUEST報(bào)文，報(bào)文中的Option50（請(qǐng)求的IP地址選項(xiàng)）字段填入曾經(jīng)使用過的IP地址。
第二步：確認(rèn)階段
DHCP服務(wù)器收到DHCP REQUEST報(bào)文后，根據(jù)DHCP REQUEST報(bào)文中攜帶的MAC地址來查找有沒有相應(yīng)的租約記錄，如果有則返回DHCP ACK報(bào)文，通知DHCP客戶端可以繼續(xù)使用這個(gè)IP地址。否則，保持沉默，等待客戶端重新發(fā)送DHCP DISCOVER報(bào)文請(qǐng)求新的IP地址。
DHCP客戶端更新租期的工作原理
DHCP服務(wù)器采用動(dòng)態(tài)分配機(jī)制給客戶端分配IP地址時(shí)，分配出去的IP地址有租期限制。DHCP客戶端向服務(wù)器申請(qǐng)地址時(shí)可以攜帶期望租期，服務(wù)器在分配租期時(shí)把客戶端期望租期和地址池中租期配置比較，分配其中一個(gè)較短的租期給客戶端。租期到期或者客戶端下線釋放地址后，服務(wù)器會(huì)收回該IP地址，收回的IP地址可以繼續(xù)分配給其他客戶端使用。這種機(jī)制可以提高IP地址的利用率，避免客戶端下線后IP地址繼續(xù)被占用。如果DHCP客戶端希望繼續(xù)使用該地址，需要更新IP地址的租期（如延長(zhǎng)IP地址租期）。
DHCP客戶端更新租期的過程如下圖所示。
客戶端在租期時(shí)間到之前，如果用戶不想使用分配的IP地址（例如客戶端網(wǎng)絡(luò)位置需要變更），會(huì)觸發(fā)DHCP客戶端向DHCP服務(wù)器發(fā)送DHCP RELEASE報(bào)文，通知DHCP服務(wù)器釋放IP地址的租期。DHCP服務(wù)器會(huì)保留這個(gè)DHCP客戶端的配置信息，將IP地址列為曾經(jīng)分配過的IP地址中，以便后續(xù)重新分配給該客戶端或其他客戶端?？蛻舳丝梢酝ㄟ^發(fā)送DHCP INFORM報(bào)文向服務(wù)器請(qǐng)求更新配置信息。
如下圖所示，部署DHCP中繼時(shí)，更新租期的過程與上述過程相似。
DHCP提供了兩種地址分配機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)管理員可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求為不同的主機(jī)選擇不同的分配策略。
DHCP使用了租期的概念，或稱為設(shè)備IP地址的有效期。租用時(shí)間是不定的，主要取決于用戶在某地連接Internet需要多久，這種分配機(jī)制適用于主機(jī)需要臨時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)或者空閑地址數(shù)小于網(wǎng)絡(luò)主機(jī)總數(shù)且主機(jī)不需要永久連接網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景。
相比手工靜態(tài)配置IP地址，通過DHCP方式靜態(tài)分配機(jī)制避免人工配置發(fā)生錯(cuò)誤，方便管理員統(tǒng)一維護(hù)管理。
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