什麼是DHCP？為什麼要用DHCP？
動態主機設定協定DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一種網路管理協議，用於集中對使用者IP位址進行動態管理和設定。
DHCP於1993年10月成為標準協議，其前身為BOOTP協議。 DHCP協定由RFC 2131定義，採用客戶端/伺服器通訊模式，由客戶端（DHCP Client）向伺服器（DHCP Server）提出設定申請，DHCP Server為網路上的每個裝置動態分配IP位址、子網路遮罩、預設網關位址，網域名稱伺服器（DNS）位址和其他相關設定參數，以便可以與其他IP網路通訊。
01 為什麼要使用DHCP？
在IP網路中，每個連接Internet的設備都需要分配唯一的IP位址。 DHCP使網路管理員能從中心結點監控並分配IP位址。當某台電腦移到網路中的其它位置時，能自動收到新的IP位址。 DHCP實現的自動化分配IP位址不僅降低了配置和部署設備的時間，同時也降低了發生設定錯誤的可能性。另外DHCP伺服器可以管理多個網段的設定訊息，當某個網段的設定發生變化時，管理員只需要更新DHCP伺服器上的相關設定即可，實現了集中化管理。
整體來看，DHCP帶來瞭如下優勢：
準確的IP配置：IP位址配置參數必須準確，並且在處理「 192.168.XXX.XXX」之類的輸入時，很容易出錯。另外印刷錯誤通常很難解決，使用DHCP伺服器可以最大程度地降低這種風險。
減少IP位址衝突：每個連接的設備都必須有一個IP位址。但是，每個位址只能使用一次，重複的位址將導致無法連接一個或兩個裝置的衝突。當手動分配位址時，尤其是在存在大量僅定期連接的端點（例如行動裝置）時，可能會發生這種情況。 DHCP的使用可確保每個位址僅使用一次。
IP位址管理的自動化：如果沒有DHCP，網路管理員將需要手動指派和撤銷位址。追蹤哪個設備具有什麼位址可能是徒勞無功的，因為幾乎無法理解設備何時需要存取網路以及何時需要離開網路。 DHCP允許將其自動化和集中化，因此網路專業人員可以從一個位置管理所有位置。
高效率的變更管理：DHCP的使用使更改位址，範圍或端點變得非常簡單。例如，組織可能希望將其IP尋址方案從一個範圍變更為另一個範圍。 DHCP伺服器配置有新訊息，該訊息將傳播到新端點。同樣，如果升級並更換了網路設備，則不需要網路配置。
02 DHCP是怎麼運作的？
DHCP協定採用UDP作為傳輸協議，DHCP客戶端發送請求訊息到DHCP伺服器的68號端口，DHCP伺服器回應應答訊息給DHCP客戶端的67號端口。只有跟DHCP客戶端在同一個網段的DHCP伺服器才能收到DHCP客戶端廣播的DHCP DISCOVER封包。當DHCP客戶端與DHCP伺服器不在同一個網段時，必須部署DHCP中繼來轉送DHCP客戶端與DHCP伺服器之間的DHCP封包。在DHCP客戶端看來，DHCP中繼就像DHCP伺服器；在DHCP伺服器看來，DHCP中繼就像DHCP客戶端。
2.1 無中繼場景時DHCP客戶端首次接取網路的工作原理
如下圖所示，在沒有部署DHCP中繼的場景下，首次接取網路DHCP用戶端與DHCP伺服器的封包互動過程，此流程稱為DHCP封包四步驟互動。
無中繼場景時DHCP用戶端首次接取網路的封包互動示意圖
第一步：發現階段
首次接取網路的DHCP用戶端不知道DHCP伺服器的IP位址，為了學習到DHCP伺服器的IP位址，DHCP用戶端以廣播方式發送DHCP DISCOVER封包（目的IP位址為255.255.255.255）給同一網段內的所有設備（包括DHCP伺服器或中繼）。 DHCP DISCOVER封包中攜帶了客戶端的MAC位址（chaddr欄位）、需要請求的參數清單選項（Option55）、廣播標誌位元（flags欄位）等資訊。
第二步：提供階段
與DHCP客戶端位於同一網段的DHCP伺服器都會接收到DHCP DISCOVER封包，DHCP伺服器選擇跟接收DHCP DISCOVER封包介面的IP位址處於同一網段的位址池，並且從中選擇一個可用的IP位址，然後透過DHCP OFFER封包傳送給DHCP客戶端。
通常，DHCP伺服器的位址池中會指定IP位址的租期，如果DHCP用戶端發送的DHCP DISCOVER封包中攜帶了期望租期，伺服器會將客戶端請求的期望租期與其指定的租期進行比較，選擇其中時間較短的租期分配給客戶端。 DHCP伺服器在位址池中為客戶端分配IP位址的順序如下：
DHCP伺服器上已設定的與客戶端MAC位址靜態綁定的IP位址。
用戶端所傳送的DHCP DISCOVER封包中Option50（請求IP位址選項）指定的位址。
在位址池內尋找「Expired」狀態的IP位址，即曾經指派給客戶端的超過租期的IP位址。
在位址池內隨機尋找一個「Idle」狀態的IP位址。
如果找不到可供指派的IP位址，則位址池會依序自動回收超過租期的（「Expired」狀態）和處於衝突狀態（「Conflict」狀態）的IP位址。回收後如果找到可用的IP位址，則進行分配；否則，DHCP客戶端等待應答逾時後，重新發送DHCP DISCOVER封包申請IP位址。
設備支援在位址池中排除某些無法透過DHCP機制進行分配的IP位址。例如，客戶端所在網段已經手動設定了位址為192.168.1.100/24的DNS伺服器，DHCP伺服器上設定的網段為192.168.1.0/24的位址池中需要將192.168.1.100的IP位址排除，不能透過DHCP分配此位址，否則，會造成位址衝突。
為了防止分配出去的IP位址跟網路中其他客戶端的IP位址衝突，DHCP伺服器在發送DHCP OFFER封包前透過發送來源位址為DHCP伺服器IP位址、目的位址為預分配出去IP位址的ICMP ECHO REQUEST封包對分配的IP位址進行位址衝突探測。如果在指定的時間內沒有收到應答封包文，表示網路中沒有客戶端使用這個IP位址，可以指派給客戶端；如果指定時間內收到應答封包文，表示網路中已經存在使用此IP位址的用戶端，則把此位址列為衝突位址，然後等待重新接收到DHCP DISCOVER封包後依照前面介紹的選擇IP位址的優先順序重新選擇可用的IP位址。
此階段DHCP伺服器分配給客戶端的IP位址不一定是最終確定使用的IP位址，因為DHCP OFFER封包發送給客戶端等待16秒後如果沒有收到客戶端的回應，此位址就可以繼續分配給其他客戶端。透過下面的選擇階段和確認階段後才能最終確定客戶端可以使用的IP位址。
第三步：選擇階段
如果有多個DHCP伺服器向DHCP客戶端回應DHCP OFFER報文，則DHCP客戶端一般只接收第一個收到的DHCP OFFER報文，然後以廣播方式發送DHCP REQUEST報文，該報文中包含客戶端想要選擇的DHCP伺服器識別碼（即Option54）和客戶端IP位址（即Option50，填入了接收的DHCP OFFER封包中yiaddr欄位的IP位址）。
DHCP客戶端廣播發送DHCP REQUEST封包通知所有的DHCP伺服器，它將選擇某個DHCP伺服器提供的IP位址，其他DHCP伺服器可以重新將曾經指派給客戶端的IP位址指派給其他用戶端。
第四步：確認階段
當DHCP伺服器收到DHCP客戶端發送的DHCP REQUEST封包後，DHCP伺服器回應DHCP ACK封包，表示DHCP REQUEST封包中請求的IP位址（Option50填入的）指派給客戶端使用。
DHCP用戶端收到DHCP ACK封包，會廣播發送免費ARP封包，偵測本網段是否有其他終端使用伺服器指派的IP位址，若在指定時間內未收到回應，表示用戶端可使用此位址。如果收到了回應，表示有其他終端使用了此位址，用戶端會向伺服器發送DHCP DECLINE封包，並重新向伺服器請求IP位址，同時，伺服器會將此位址列為衝突位址。當伺服器沒有空閒位址可分配時，再選擇衝突位址進行分配，盡量減少分配出去的位址衝突。當DHCP伺服器收到DHCP客戶端發送的DHCP REQUEST封包後，如果DHCP伺服器由於某些原因（例如協商出錯或由於發送REQUEST過慢導致伺服器已經把此位址分配給其他客戶端）無法分配DHCP REQUEST報文中Option50填入的IP位址，則發送DHCP NAK封包作為應答，通知DHCP用戶端無法指派此IP位址。 DHCP客戶端需要重新傳送DHCP DISCOVER封包來申請新的IP位址。
2.2 有中繼場景時DHCP客戶端首次接取網路的工作原理
有DHCP中繼的場景中，首次接取網路的DHCP用戶端和DHCP伺服器的工作原理與無中繼場景時DHCP用戶端首次接取網路的工作原理相同。主要差異是DHCP中繼在DHCP伺服器和DHCP客戶端之間轉送DHCP封包，以確保DHCP伺服器和DHCP用戶端可以正常互動。以下僅針對DHCP中繼的工作原理進行介紹。
如下圖所示，在部署DHCP中繼的場景下，首次接取網路DHCP用戶端與DHCP伺服器的封包互動過程。
有中繼場景時DHCP用戶端首次接取網路的封包互動示意圖
第一步：發現階段
DHCP中繼接收DHCP用戶端廣播發送的DHCP DISCOVER封包後，請先進行如下處理：
檢查DHCP封包中的hops字段，如果大於16，則丟棄DHCP封包；否則，將hops欄位加1（表示經過一次DHCP中繼），並繼續下面的操作。
檢查DHCP封包中的giaddr欄位。如果是0，將giaddr欄位設定為接收DHCP DISCOVER封包的介面IP位址。如果不是0，則不修改該字段，繼續下面的操作。
將DHCP封包的目的IP位址改為DHCP伺服器或下一跳中繼的IP位址，來源位址改為中繼連接客戶端的介面位址，透過路由轉送將DHCP封包單播傳送到DHCP伺服器或下一跳中繼。
如果DHCP客戶端與DHCP伺服器之間存在多個DHCP中繼，後面的中繼接收到DHCP DISCOVER封包的處理流程同前面所述。
第二步：提供階段
DHCP伺服器接收DHCP DISCOVER封包後，選擇與封包中giaddr欄位為同一網段的位址池，並為客戶端指派IP位址等參數，然後向giaddr欄位識別的DHCP中繼單播傳送DHCP OFFER報文。
DHCP中繼收到DHCP OFFER封包後，會進行以下處理：
檢查封包中的giaddr字段，如果不是介面的位址，則丟棄該封包；否則，繼續下面的操作。
DHCP中繼檢查封包的廣播標誌位。如果廣播標誌位元為1，則將DHCP OFFER封包廣播傳送給DHCP用戶端；否則將DHCP OFFER封包單播傳送給DHCP用戶端。
第三步：選擇階段
中繼接收到來自客戶端的DHCP REQUEST封包的處理過程同無中繼場景下的選擇階段。
第四步：確認階段
中繼接收到來自伺服器的DHCP ACK封包的處理過程同無中繼場景下的確認階段。
Comments
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