DHCP协议详解（非常详细总结），结合ENSP,wireshark学习使用
1 DHCP协议
1.1 DHCP协议理解
定义：DHCP：Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议，是一个应用在局域网中的网络协议，它使用UDP协议工作。
理解：DHCP协议就是一个基于UDP协议工作在局域网内的网络协议，其最终的目的就是获取响应的IP地址，其中这过程中有多种分配方式，以及发送报文的格式要求等。
作用：动态分配IP地址，过程自动化，终端无需一一手工配置，配置信息统一管理（DNS,网关），IP地址有限、需要大量配置IP地址、经常移动终端。
好处：提高配置IP地址效率，减少配置工作量，减少IP地址冲突。
分配IP地址方式：
（1）手工配置方式：通过网络管理员手工配置某台客户端特定的IP地址，当客户端请求分配时，DHCP服务器就将手动配置的IP地址分配给客户端。。
（2）自动配置方式：当DHCP客户端第一次想服务端租用到第一个IP地址后，就将这个IP地址永久分配给客户端使用。
（3）动态配置方式：服务器暂时分配一个IP地址给客户端，根据租约到期或者续约租期的方式来管理分配的IP地址。
1.2 DHCP报文格式
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链路层头 |
IP头 20bytes |
UDP头 |
DHCP报文 |
图1 DHCP报文封装格式
图2 DHCP报文格式
图1是dhcp整个报文的封装格式，包括链路层头、IP头、UDP头和DHCP报文，其中dhcp主要的数据都封装在dhcp报文中。
图2 就是DHCP报文的格式，各字段的说明如下：
op：1byte,是报文的操作类型，分为请求报文和响应报文，1为请求报文；2为响应报文。具体的报文类型在option字段中标识。
htype：1byte,表示client硬件地址的类型，1表示以太网类型。
hlen：1byte，硬件地址的长度，以太网的硬件地址长度为6bytes。
hops：1byte，表示当前dhcp报文经过的DHCP中继的数目，每经过一个DHCP中继这个字段就加1.
xid：4bytes，由client端产生的随机数，用于匹配请求和应答报文，就是匹配应答报文是对哪个请求报文做出应答。
secs：2bytes，客户端进入IP地址申请进程的时间或者更新IP地址进程的时间；由客户端软件根据情况设定。目前没有使用，固定为0。
flags：2bytes，是标志字段，16比特中只使用了最高位比特（即最左边的比特），这个个比特是广播响应标识位，用来标识DHCP服务器发出的响应报文是广播还是单播，0是单播，1是广播。其余的比特位保留不用，都为0.
ciaddr：4bytes，是客户端的IP地址，可以是client自己的IP地址，也可以是server分配给client的IP地址。
yiaddr(Your IP Address)：4bytes，是server分配给client的IP地址。
siaddr：4bytes，是client端获取IP地址等信息的server端的地址。
giaddr：4bytes，是client发出请求报文后经过的第一个中继的IP地址。
chaddr：16bytes，是client端的硬件地址，在client发出报文时会把自己网卡的硬件地址写进这个字段。
sname：64bytes，服务器主机名，是client端获取IP地址等信息的服务器名称。
file：128bytes，是client的启动配置文件名，是服务器为client指定的启动配置文件名及路径信息，由服务器填写。
options：是可选变长的选项字段，这个字段包含了终端的初始配置信息和网络配置信息，包括报文类型，有效租期，DNS服务器的IP地址等配置信息。
这个字段的结构采用“CLV”结构，如图4：
图4 option字段编码方式
其中”code”是标识号，唯一标识后面的信息内容(vlaue),1bytes；
“length”表示后面的value值的长度，1bytes
“vlaue”是信息内容
Options字段有很多项，是可选的，不同的报文option项可能不同，图5是一个DHCP request报文的option项：
图5 option项
不同的option项有不同的含义，下面是一些常见的option项：
（1）DHCP Message Type： code=53 length=1 表示DHCP的报文类型。
（2）Client identifier: code=61 client端的硬件地址
（3）Server identifier: code=54 服务器的IP地址
（4）Subnet Mask: code=1 子网掩码
（5）route: code=3 网关IP地址
（6）Domain Name Server: code=6 DNS服务器的IP地址
（7）IP Address Lease Time: code=51 租约时间
1.3 DHCP协议报文的种类
Dhcp协议一共有8中报文，包括：DHCPDISCOVERY，DHCPOFFER，DHCPREQUEST，DHCPACK，DHCPNAK，DHCPRELEASE，DHCPDECLINE，DHCPINFORM。
报文类型由options字段中的option53“DHCP Message Type”选项来确定。各报文的具体含义如下：
（1），DHCP-DISCOVER报文：0x01 客户端请求包
这个报文是client端开始dhcp过程的第一个请求报文，client在请求地址时，并不知道server端的位置，所以client会以广播的方式发送请求报文，它的目的是发现网络中的服务器。
（2），DHCP-OFFER报文： 0x02 服务器响应包
这个报文server端对DISCOVERY报文的响应报文。会在所配置的地址池中查找一个合适的IP地址，加上相应的租约期限和其他配置信息（如GATEWAY，DNS SERVER等），构造一个OFFER报文，发送给用户，告知用户本SERVER可以为其提供IP地址的分配，并且。发OFFER报文一般是单播的方式发送。
（3），DHCP-REQUEST报文：0x03 客户端选择包
在一个子网中可能有多台服务器，所有收到DISCOVER报文的服务器都会回应OFFER报文，所以client端可能收到多个OFFER报文，通常会选择第一个OFFER报文的服务器作为自己的目标服务器，并回应一个REQUEST请求报文。在续租约的时候client端也会发送REQUEST报文 请求续租期。
（4），DHCP-ACK报文：0x05 服务器确认包
是server对client端的REQUEST报文的确认响应报文，server在收到REQUEST报文后，根据REQUEST报文中携带的client MAC来查找有没有相应的租约记录，如果有则发送ACK报文作为回应，通知client可以使用分配的IP地址。
（5），DHCP-NAK报文：0x06 服务器拒绝包
Server端对client端的REQUEST报文的拒绝响应报文，如果服务器没有相应的租约记录，就会发送NAK报文给client端。
（6），DHCP-RELEASE报文：0x07 客户端释放包
Client端主动释放server端分配给它的IP是，就会发送DHCP-RELEASE报文给server，server收到这个报文后，就会回收这个IP地址。
（7），DHCP-DECLINE报文：0x04
client收到server回应的ACK报文后，通过地址冲突检测发现 SERVER分配的地址冲突或由于其它原因导致不能使用，则发送DHCP-DECLINE报文，通知server所分配的IP地址不可用。
（8），DHCP-INFORM报文：0x08
在client已经获得了IP地址，需要从server端获得更详细的配置信息时，就会发送DHCP-INFORM报文向server请求，server在收到这个报文后，会根据租约查找，找到相应的配置信息后，就会回应DHCP-ACK报文给client。
1.4 DHCP协议工作过程
1.4.1 动态获取IP过程
图5 DHCP工作流程
1.2.1.1 抓包过程
(1)在Wireshark中点击start开始抓包，在过滤栏输入bootp，使其只显示DHCP数据包
（2）在win10 中的cmd输入ipconfig /release 先断开当前的网络连接，主机号变为0.0.0.0，主机与网络断开，不能访问网络。
图6 断开网络配置图
图7 释放包
（3）在cmd中输入ipconfig /renew 请求网络连接，也为客户端分配了IP地址。
图8 再次请求网络配置图
图9 新增数据包
此时，可以看到在Wireshark中新增了4个DHCP数据包：
数据包1：DHCP Discover
数据包2：DHCP Offer
数据包3：DHCP Request
数据包4：DHCP ACK
1.4.1.2 DHCP四个阶段
DHCP动态获取IP地址的过程主要分为发现阶段、提供阶段、选择阶段、确认阶段四个阶段。
(1)发现阶段：client端在局域网内以广播的方式发起一个DHCP Discover包，目的是在子网络中发现能够给client端提供IP地址的server端。
UDP 目标端口号为67 源IP 地址0.0.0.0 目的IP:255.255.255.255
图10 DHCP discover包
(2)提供阶段：局域网中DHCP server接受到Discover包之后，通过发送DHCP offer包给client端应答，主要是告知client端可以提供IP地址，以及相应的IP地址租约信息和其他配置信息也会在其中。
UDP 目标68 源IP为DHCP服务器的IP 目的IP:255.255.255.255
图11 DHCP offer包
(3)选择阶段：在client端可能会接受到多个offer包，通常clientdaunt只会接受收到的第一个DHCP offer报文，然后client端就会以广播的方式发送一个DHCP request报文请求分配IP地址。
UDP 目标67 源IP为0.0.0.0 目的IP:255.255.255.255
图12 DHCP REQUEST包
(4)确认阶段：server端在收到DHCP request报文之后，会判断”option”字段的serverIP地址是否是自己的IP地址，如果符合分配IP地址的条件，就会给client发送一个DHCP ACK包，如果不满足就发挥发送一个DHCP NAK 包。
UDP 目标68 源IP为DHCP服务器的IP 目的IP:255.255.255.255
图13 DHCP ACK 包
注意：客户端执行DHCP-DISCOVER后，如果没有DHCP服务器响应客户端的请求，客户端会随机使用169.254.0.0/16网段中的一个IP地址配置到本机地址。
169.254.0.0/16是Windows的自动专有IP寻址范围，也就是在无法通过DHCP获取IP地址时，由系统自动分配的IP地址段。
1.4.2 续约租期
图14 续约租期过程
（1）当clientIP地址已经用到50%的时间，续租一下，client端就会以单播形式向服务端发送一个DHCP Request包，当server响应时就会回应一个ACK包，会重新约定一个时间。
（2）当clientIP地址已经用到50%的时间，续租一下，client端就会以单播形式向服务端发送一个DHCP Request包，server没有响应，client会继续使用，当使用到87.5%时，会在续租一次，同时就以广播的方式是发送一个request包，server这时收到响应以后，就会回应一个ACK包，重新约定一个时间。
（3）当clientIP地址已经用到50%的时间，续租一下，client端就会以单播形式向服务端发送一个DHCP Request包，server没有响应，client会继续使用，当使用到87.5%时，会在续租一次，同时就以广播的方式是发送一个request包，如果server还是没有响应，client那就直接使用到过期。
1.4.3 重新连接使用IP地址
Client端在重新登录网络的时候，可以不需要从初始阶段发送DHCP DISCOVER报文开始，可以直接广播发送DHCP REQUEST报文给服务器。
1.4.4 client主动释放IP地址
图16 DHCP release报文