动态主机配置协议——DHCP详解

一、DHCP简介

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol),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。

二、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。

三、DHCP服务器IP分配三种方式

1）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。

2）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。

3）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。

三种方式的区别：

1、自动分配和手动分配都是分配静态ip
2、自动分配需要在配置文件中配置IP与MAC对应关系，在在静态表中，获取IP必须通过DHCP服务器
3、手动分配需要人工操作，不需要通过DHCP服务器
4、动态分配有时效性

四、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。

五、DHCP服务工作流程

5.1、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）

5.2、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。

5.2、续租

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。

续租的过程（只有最后两步请求）：

Client--> DHCPREQUEST              # 单播：继续请求使用提供的IP
          DHCPACK <-- Server       # 单播：确认续租

两个租约表：

• 静态租约表：对应一个静态租约存储文件，server运行时从文件中读取静态租约表。
• 动态租约表：对应一个周期存储文件，server周期性将租约表存进该文件，在程序开始时将会读取上次存放的租约表。（租约表记录了当前所有分配的租约，包括静态链接的）。

5.3、DHCP服务器要跨网段提供服务

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。

5.4、小结：

• 当计算机从一个子网移到另一个子网，找的DHCP服务器不同，因为旧的租约还存在，会先续租，新的DHCP服务器肯定拒绝它的续租请求，这时将重新开始四步请求。
• 有些机器希望一直使用一个固定的IP，也就是静态IP（static），除了手动进行配置，DHCP服务器也可以实现这个功能。DHCP服务器可以根据MAC地址来分配这台机器固定IP地址（保留地址），即使重启或重装了系统也不会改变根据MAC地址分配的地址（MAC地址跟IP绑定）。
• 当收到客户端的首次请求时，DHCP服务器先查找静态租约表；若存在请求的表项，返回这个客户的静态IP地址；否则，从IP地址池中选择可用的IP分配给客户，并添加信息到动态数据库中。此外，服务器将会周期性的刷新租约表写入文件存档，在这个过程中会顺便对动态租约表进行租期检查。

六、安装和配置DHCP服务

6.1、安装

$ yum -y install dhcp

常用的几个配置文件

/etc/dhcp/dhcpd.conf    # DHCP配置文件
/usr/sbin/dhcpd         # DHCP服务程序
/usr/sbin/dhcrelay      # 中继命令程序，用于跨网段提供DHCP服务
/var/lib/dhcpd/dhcpd.leases    # 存放租借信息（如IP）和租约信息（如租约时长）
/usr/share/doc/dhcp-4.2.5/dhcpd.conf.example # 配置文件的范例文件

6.2、首先关闭虚拟机自带的DHCP功能

6.3、配置文件

cp  -r  /usr/share/doc/dhcp-4.2.5/dhcpd.conf.example /etc/dhcp/dhcpd.conf

dhcpd.conf中部分配置项：

# 每行分号结束
ddns-update-style none;      # 动态dns相关，几乎不开启它。也就是不管它。
ignore client-updates;       # 和上面的相关，也不管它
authoritative                # 声明为权威服务器
next-server marvin.redhat.com;    # PXE环境下指定的提供引导程序的文件服务器
# DHCP配置文件里必须配置一个地址池，其和DHCP服务器自身IP在同一网段
subnet 192.168.182.0 netmask 255.255.255.0 {
  range 192.168.182.100 192.168.182.150;             # 地址池
  option domain-name-servers ns1.internal.example.org;     # 为客户端指明DNS服务器地址，可以是多个，最多三个
  option domain-name "internal.example.org";               # 为客户端指明DNS名字，定义了它会覆盖客户端/etc/resolv.conf里的配置
  option routers 192.168.182.2;               # 默认路由，其实就是网关
  option broadcast-address 192.168.182.255;    # 广播地址，不设置时默认会根据A/B/C类地址自动计算
  default-lease-time 600;                # 默认租约时长
  max-lease-time 7200;                   # 最大租约时长
}

#下面的是绑定MAC地址设置保留地址，保留地址不能是地址池中的地址
host fantasia {            # 固定地址的配置，host后面的是标识符，没意义
  hardware ethernet 00:0c:29:ac:fa:91;
  fixed-address 192.168.182.10;      # 根据MAC地址分配的固定IP 
}

如果不让dhcp修改/etc/resolv.conf里的内容，就在网卡配置文件/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ethX里添加一行选项：PEERDNS=no。
6.4、客户端dhclient

dhclient是一个DHCP协议客户端

语法格式:

dhclient [参数] [网络接口]

常用参数：

-p	指定dhcp客户端监听的端口号（默认端口号86）
-d	总是以前台方式运行程序
-q	安静模式，不打印任何错误的提示信息
-r	释放ip地址
-n	不配置任何接口
-x	停止正在运行的DHCP客户端，而不释放当前租约，杀死现有的dhclient
-s	在获取ip地址之前指定DHCP服务器
-w	即使没有找到广播接口，也继续运行

dhclient简单使用：
1）在指定网络接口上发出DHCP请求

$ dhclient ens37

2）释放IP地址（这里注意一点，静态ip也会被释放，小心操作）

# 释放所有网卡绑定的ip
$ dhclient -r
# 指定释放哪个网卡
$ dhclient -r ens37

3）从指定的DHCP服务器获取ip地址

$ dhclient -s 192.168.182.149 ens37

4）停止运行dhclient（这里也会释放所有ip，包括静态ip，谨慎操作）

$ dhclient -x

5）恢复：

重启网卡（systemctl restart network），会恢复静态ip和动态获取ip
执行dhclient，不会恢复静态ip，只会动态获取一个ip

6.5、在客户端如何获取动态分配的地址呢？

方法1：systemctl restart network

但是每次重启网络很麻烦，可以使用客户端命令dhclient。

方法2：接执行dhclient命令

这种方法下会显示4部请求中需要显示的步骤信息，以及最终分配的地址，所以是一个很好的理解dhcp工作的工具。
但是这种方法只能使用一次，第二次执行命令会提示该进程已经在执行，因为dhclient是一个进程。可以kill掉该进程再执行dhclient，或者使用dhclient -d选项。

方法三：dhclient -d

6.5、如何重新获取IP地址？
每次重启网卡默认都获取的同一个ip，有时候想换个ip都很麻烦。在/var/lib/dhclient/目录下有".leases"文件，将它们清空或者删除这些文件中对应网卡的部分，再重启网络就可以获取新的动态ip。

[root@centos7-1 ~]# cat /var/lib/dhclient/dhclient.leases 
lease {
  interface "ens33";
  fixed-address 192.168.182.178;
  option subnet-mask 255.255.255.0;
  option routers 192.168.182.2;
  option dhcp-lease-time 1800;
  option dhcp-message-type 5;
  option domain-name-servers 192.168.182.2;
  option dhcp-server-identifier 192.168.182.254;
  option broadcast-address 192.168.182.255;
  option domain-name "localdomain";
  renew 0 2021/07/11 04:11:04;
  rebind 0 2021/07/11 04:11:04;
  expire 0 2021/07/11 04:11:04;
}
lease {
  interface "ens37";
  fixed-address 192.168.182.248;
  option subnet-mask 255.255.255.0;
  option dhcp-lease-time 1800;
  option routers 192.168.182.2;
  option dhcp-message-type 5;
  option dhcp-server-identifier 192.168.182.254;
  option domain-name-servers 192.168.182.2;
  option broadcast-address 192.168.182.255;
  option domain-name "localdomain";
  renew 0 2021/07/11 04:10:50;
  rebind 0 2021/07/11 04:10:50;
  expire 0 2021/07/11 04:10:50;
}
lease {
  interface "ens37";
  fixed-address 192.168.182.10;
  option subnet-mask 255.255.255.0;
  option routers 192.168.182.2;
  option dhcp-lease-time 600;
  option dhcp-message-type 5;
  option domain-name-servers 120.240.95.33,120.240.95.33;
  option dhcp-server-identifier 192.168.182.244;
  option broadcast-address 192.168.182.255;
  option domain-name "example.org";
  renew 0 2021/07/11 04:23:24;
  rebind 0 2021/07/11 04:27:51;
  expire 0 2021/07/11 04:29:06;
}

或者，在/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens37加入"DHCPRELEASE=yes"。
当运行ip link set ens37 down的时候就会发出dhcprelase报文，查看/etc/sysconfig/network-scripts/ifdown-ens37脚本中实际上是调用dhclient命令，用下面这个命令应该也可以。

# 释放ip
$ /sbin/dhclient -r ens37
# 停掉网卡
$ ip link set ens37 down
# 启动网卡
$ ip link set ens37 up

七、DHCP中继代理

DHCP中继被称为DHCP Relay；是为了实现不同子网和物理网段之间处理和转发dhcp信息

工作过程：

1. DHCP客户机申请IP租约，发送DHCP-Discover包。
2. 中继代理收到该包，并转发给另一个网段的DHCP服务器。
3. DHCP服务器收到该包，将DHCP-Offer包发送给中继代理。
4. 中继代理将地址租约（DHCP-Offer）转发给DHCP客户端。