1、DHCP简介
动态主机设置协议（英语：Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，主要有两个用途：用于内部网或网络服务供应商自动分配IP地址；给用户用于内部网管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。
DHCP是一个典型的Client/Server模型的协议，使用UDP传输
DHCP Server端，使用UDP端口：67DHCP Server可以在很多设备上部署，如Cisco、H3C、Juniper、Windows、Linux……都可以
DHCP Client端，使用UDP端口：68客户端（主机、路由器、交换机、网络打印机、网络摄像头……都可以作为DHCP客户端）
DHCP有三种机制分配IP地址：
自动分配方式（Automatic Allocation），DHCP服务器为主机指定一个永久性的IP地址，一旦DHCP客户端第一次成功从DHCP服务器端租用到IP地址后，就可以永久性的使用该地址。
动态分配方式（Dynamic Allocation），DHCP服务器给主机指定一个具有时间限制的IP地址，时间到期或主机明确表示放弃该地址时，该地址可以被其他主机使用。
手工分配方式（Manual Allocation），客户端的IP地址是由网络管理员指定的，DHCP服务器只是将指定的IP地址告诉客户端主机。
三种地址分配方式中，只有动态分配可以重复使用客户端不再需要的地址。
2、DHCP状态机
如下图所示是比较常见的DHCP状态机
DHCP的实现分为4步，分别是：
第一步：Client端在局域网内发起一个DHCP Discover包，目的是想发现能够给它提供IP的DHCP Server。
第二步：可用的DHCP Server接收到Discover包之后，通过发送DHCP Offer包给予Client端应答，意在告诉Client端它可以提供IP地址。
第三步：Client端接收到Offer包之后，发送DHCP Request包请求分配IP。
第四步：DHCP Server发送ACK数据包，确认信息。
第五步：重新请求获取
第六步：重新发送ack包，确认信息
3、wireshake抓包分析
正常来说，一次DHCP过程只需要上面状态机的前四步，后面的续约是在DHCP的租期到达1/2和7/8的时候进行的。
打开任意一个数据包，我们可以看到wireshark已经把里面的数据分层显示。
从上到下依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
tcpdump抓包命令：
tcpdump -i eth0 -c 8 -s 0 -w /mnt/sdcard/dhcp.pcap ‘udp and port 67 and port 68’ &
-i 选择网卡
-c 数据包个数
-s 数据包长度，默认只抓包头，0代表完整数据包
-w 写入文件
udp and port 67 and port 68：dhcp报文的过滤条件，udp协议，端口67和68
&使进程后台运行
3.1 发现阶段——DHCP Discover（广播）
3.1.1 DHCP Discover 理论分析
DHCP Discover（广播）是第一个阶段即DHCP客户端寻找DHCP服务端的阶段。
由于DHCP服务端的IP地址等信息对于DHCP客户端来说是未知，此时就需要使用广播的方式进行发送消息，基于UDP的源端口号68，目的端口号67来发送DHCP Discover发现信息来寻找DHCP服务器。
由于是广播包，在同一个广播域中的每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收到这种广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。
在二层中，广播地址是12个f即ff:ff:ff:ff:ff:ff
。
在三层中，广播地址是4个255（IPv4）即255.255.255.255
。
换算成二进制，即全为1。
3.1.2 DHCP Discover 物理层
物理层给出的有用信息并不多，但是我们能够看到网卡相关信息和这个是DHCP的数据包且使用了UDP协议。
3.1.3 DHCP Discover 数据链路层
数据链路层中我们可以看到本机的MAC地址和目标MAC地址（广播）。
3.1.4 DHCP Discover 网络层
网络层的参数较多，我们对其进行一一解析：
版本（Version）：4，表明这里使用IPv4
头部长度（Header Length）：20 bytes，即20个字节
区分服务字段（Differentiated Services Field）：0x00，十六进制，换算成二进制正好是下面的8个0，表明当前的IP数据报中没有使用服务类型字段，采用默认的“尽力传输”优先级别
总长度（Total Lenth）：328，表明该数据报的总长度是328个字节
标识（Identification）：0xe752，十六进制，换算成十进制正好是括号中的59218，表明该数据报的标识为0xe752
分段标识（Flags）：保留位（Reserved bit）为0，Don’t fragment为0表示该数据报可以被分段，More fragments为0表明后面没有分段
分段偏移（Fragment offset）：0，表明没有被分段
生存时间（Time to live）：128，表明该数据报最多可以经过128个路由
上层协议（Protocol）： UDP，值为17
头部校验（Header checksum）： validation disabled，表示没有进行校验
校验状态（Header checksum status）：Unverified，同上，没有进行校验
源IP地址（Source）：0.0.0.0，表明当前尚未获得DHCP服务端分配的IP地址，只能使用0.0.0.0
目标IP地址（Destination）：255.255.255.255，广播IP地址，对同一广播域内的所有TCP/IP协议客户端进行广播
3.1.5 DHCP Discover 传输层
传输层这里可以看到源端口为68，目的端口为67，且校验状态为未校验。
2.1.6 DHCP Discover 应用层
应用层的报文也有很多重要数据，我们截取重要的进行分析。
- Bootp flags：0表示单播，1表示广播，这里为0，即DHCP服务端回复的DHCP Offer报文应为单播形式
部分书上讲述的DHCP四个包都是使用广播的方式进行，实际上DHCP Offer和DHCP Ack这两个数据包是广播还是单播是由DHCP的客户端发送的数据包来决定的。
- Ciaddr即客户端IP地址（Client IP address）、
Yiaddr即被分配的DHCP客户端IP地址（ Your(client) IP address）、
Siaddr即下一个为DHCP客户端分配IP地址的DHCP服务器地址（Next server IP address ）、
Giaddr即DHCP中继IP地址（Relay agent IP address）、
这四个IP地址均为0.0.0.0，因为此时还处于DHCP的发现阶段，DHCP客户端对这些信息还是一无所知。
- 我们还可以看到请求信息里面需要请求获取包括子网掩码（Subnet Mask）、路由网关（Router）、 DNS服务器（Domain Name Server） 、以及域名（Domain Name）等信息
3.2 提供阶段——DHCP Offer（单播/广播）
3.2.1 DHCP Offer 理论分析
提供阶段，即DHCP服务器向DHCP客户端提供预分配IP地址的阶段。网络中的所有DHCP服务器接收到客户端的DHCP Discover报文后都会根据自己的DHCP地址池中IP地址分配的优先次序选出一个IP地址，然后与其他参数一起通过传输层的UDP67号端口在DHCP Offer报文中以单播/广播方式发送给客户端的UDP68号端口。
DHCP服务器在分配这个地址之间会ping一下这个分配的ip地址，如果没有Response就才会预分配这个地址
客户端通过封装在帧中的目的MAC地址（也就是DHCP Discover报文中的CHADDR字段值）的比对来确定是否接收该帧。但这样以来，理论上DHCP客户端可能会收到多个DHCP Offer报文（当网络中存在多个DHCP服务器时），但DHCP客户端只接收第一个到来的DHCP Offer报文。
3.2.2 DHCP Offer 数据链路层
这时可以看到根据之前的DHCP报文，这里使用了单播的形式。而源MAC地址就是DHCP服务器的MAC地址且目的MAC地址是之前发送DHCP Discover报文的客户端MAC地址。
3.2.3 DHCP Offer 网络层
网络层报文中我们可以看到这时候目的IP地址和源IP地址都已经有了数据，10.22.25.118就是即将要分配的IP地址，而10.22.25.254就是DHCP服务器的地址又或者是DHCP中继代理服务器的IP地址，具体要看应用层的报文。
通过DHCP中继代理服务，与DHCP服务器不在同一子网的DHCP客户端可以通过DHCP中继代理（通常是路由器或三层交换机设备开启DHCP中继功能）与位于其他网段的DHCP服务器通信，最终是DHCP客户端获取到从DHCP服务器上分配而来的IP地址。
此时的DHCP中继代理就位于DHCP客户端和DHCP服务器之间，负责广播DHCP报文的转发。
3.2.4 DHCP Offer 应用层
这个时候我们再看应用层的报文：
Ciaddr即客户端IP地址（Client IP address）：此时还没有分配，所以还是0.0.0.0
Yiaddr即被分配的DHCP客户端IP地址（ Your(client) IP address）：10.22.25.118，这个IP即将分配给该客户端
Siaddr即下一个为DHCP客户端分配IP地址的DHCP服务器地址（Next server IP address ）：192.168.112.240，这个是分配IP地址的DHCP服务器
Giaddr即DHCP中继IP地址（Relay agent IP address）：10.22.25.254，这个是DHCP的中继代理服务器的IP地址，在这里应该是一个开启了DHCP中继的三层交换机
子网掩码（Subnet Mask）、路由网关（Router）、 DNS服务器（Domain Name Server） 、以及域名（Domain Name）等信息均已经包含在里面
租约时间是需要注意的一个问题，这里我们可以看到DHCP租约时间（IP Address Lease Time）实际上是8天，单位是s，wieshark换算成了天方便我们查看
而Renewal Time Value就是初次续约的时间，这个时间是租约时间的1/2，这里就是4天，这个时候一般客户端会以单播的方式向DHCP服务器发送报文请求续约
而Rebinding Time Value就是第二次续约时间，这个时间是租约时间的7/8，这里也就是7天，只有在初次续约失败之后，才会在这个时间以广播的方式向网络中的DHCP服务器再次申请IP地址
3.3 选择阶段——DHCP Request（广播）
2.3.1 DHCP Request 理论分析
选择阶段，即DHCP客户端选择IP地址的阶段。
如果有多台DHCP服务器向该客户端发来DHCPOFFER报文，客户端只接收第一个收到的DHCP Offer报文，然后以广播方式发送DHCP Request报文。在该报文的Requested Address选项中包含DHCP服务器在DHCP Offer报文中预分配的IP地址、对应的DHCP服务器IP地址等。
这样也就相当于同时告诉其他DHCP服务器，它们可以释放已提供的地址并将这些地址返回到可用的地址池中。
在DHCP REQUEST报文封装的IP协议头部中，客户端的Source Address仍然是0.0.0.0，数据包的Destination仍然是255.255.255.255。但在DHCP Request报文中Ciaddr、Yiaddr、Siaddr、Giaddr 字段的地址均为0.0.0.0
3.3.2 DHCP Request 数据链路层
这时候又变回了广播。
3.3.3 DHCP Request 网络层
由于是广播，所以目标IP地址是255.255.255.255，而源IP地址还是0.0.0.0是因为还没有完成整个DHCP过程，本机尚未获取到IP地址。
3.3.4 DHCP Request 应用层
Bootp flags：0表示单播，1表示广播，这里为0，即DHCP服务端回复的报文应为单播形式
Ciaddr、Yiaddr、Siaddr、Giaddr 字段的地址均为0.0.0.0
3.4 确认阶段——DHCP Ack（单播/广播）
3.4.1 DHCP Ack 理论分析
确认阶段，即DHCP服务器确认分配级DHCP客户端IP地址的阶段。
某个DHCP服务器在收到DHCP客户端发来的DHCP REOUEST报文后，只有DHCP客户端选择的服务器会进行如下操作：如果确认将地址分配给该客户端，则以单播/广播方式返回DHCP ACK报文；否则返回DHCP NAK报文，表明地址不能分配给该客户端。
3.4.2 DHCP Ack 数据链路层
可以看到这里是单播，源MAC地址是DHCP服务器（此处为中继代理）的MAC地址，目标MAC地址是DHCP客户端的MAC地址。
3.4.3 DHCP Ack 网络层
10.22.25.118就是即将要分配的IP地址，而10.22.25.254就是DHCP服务器的地址（此处为DHCP中继代理服务器）
3.4.4 DHCP Ack 应用层
在DHCPACK报文中Yiaddr字段包含要分配给客户端的IP地址，而Chaddr和DHCP:Client Identifier字段是发出请求的客户端中网卡的MAC地址。
同时，在选项部分也会把在DHCPOFFER报文中所分配的IP地址的子网掩码、默认网关、DNS服务器、租约期、续约时间等信息加上。
4、DHCP的IP地址租约更新
3.1 DHCP服务IP地址租约更新原理
如果采用动态IP地址分配策略，则DHCP服务器分配给客户端的IP地址都是有一定租约期限的，当租约期满后DHCP服务器又会收回原来分配的这个IP地址。
如果DHCP客户端希望继续使用该地址，则需要向DHCP服务器提出更新IP地址租约的申请，也就是前面所说到的“续约”。
IP地址租约更新或者IP地址续约也就是更新服务器端对IP地址的租约信息，使其恢复为初始状态。
3.2 申请续约的方法
在DHCP客户端的IP地址租约期限达到1/2时，由DHCP客户端向为它分配IP地址的DHCP服务器以单播方式发送DHCP REOUEST请求报文，以期进行IP租约的更新。
如果DHCP服务器同意续约，则DHCP服务器向客户端以单播方式返回DHCP ACK报文，通知DHCP客户端已经获得新IP租约，可以继续使用此IP地址；相反，如果DHCP服务器不同意续约，则DHCP服务器以单播方式返回DHCP NAK报文，通知DHCP客户端不能获得新的租约，此IP地址不可以再分配给该客户端。
如果上面的续约申请失败，则DHCP客户端还会在租约期限达到7/8时再次以广播方式发送DHCP REQUEST请求报文进行续约。DHCP服务器的处理方式同上，不再赘述。
如果第二次续约请求还是失败，则原来租约的IP地址将被释放。
4、DHCP中继代理服务
在前面我们已经说过，在DHCP客户端初次从DHCP服务器获取IP地址的过程中，所有从DHCP客户端发出的请求报文均是以广播方式（目的地址为255.255.255.255）进行发送的，所以DHCP服务只适用于DHCP客户端和DHCP服务器处于同一个子网（也就是DHCP服务器至少有一个端口与DHCP客户端所在的子网是直接连接的）的情况，因为广播包是不能穿越子网的。
基于DHCP服务的以上限制，这样一来，如果DHCP客户端与DHCP服务器之间隔了路由器设备，不在同一子网，就不能直接通过这台DHCP服务器获取IP地址，即使DHCP服务器上已配置了对应的地址池。这也就意味着，如果想要让多个子网中的主机进行动态IP地址分配，就需要在网络中的所有子网中都设置一个DHCP服务器。这显然是很不经济的，也是没有必要的。
DHCP中继功能可以很好地解决DHCP服务的以上难题。通过DHCP中继代理服务，与DHCP服务器不在同一子网的DHCP客户端可以通过DHCP中继代理（通常也是由路由器或三层交换机设备担当，但需要开启DHCP中继功能）与位于其他网段的DHCP服务器通信，最终使DHCP客户端获取到从DHCP服务器上分配而来的IP地址。此时的DHCP中继代理就位于DHCP客户端和DHCP服务器之间，负责广播DHCP报文的转发。
从前面的报文分析我们可以轻松的看出10.22.25.118和192.168.112.240是明显不属于同一个子网的，他们之间通信肯定需要使用路由器进行路由，而10.22.25.254就是担任着DHCP中继代理的角色。
至于和DHCP服务器之间经过了多少个路由，我们可以tracert一下。
从图中我们可以看到，从10.22.25.254这个DHCP中继代理到DHCP服务器之间需要经过5个路由节点。
而实际上，在很多的大型园区网络中，都会使用一个DHCP服务器集群+多个DHCP中继代理这样的方式进行DHCP分配。
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