手把手带你配置一个 DHCP 服务器
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
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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