【Python网络编程之DHCP服务器】

🚀 作者 ：“码上有前”
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代码见资源，效果图如下

一、实验要求

1. 基本要求：在理解 DHCP 协议的基础上，编写一个 DHCP 服务器，为网络中的主机动态分配 IP 地址等信息。
2. 设计语言：Python、C/C++。
3. 原理：根据 DHCP 工作过程，即 DHCP 正常工作的所需的几种 DHCP报文，在收到的客户的 DHCP 报文之后，服务器正确构造相应的 DHCP 响应报文并发送给 DHCP 客户。 4. 技术难点：分析收到 DHCP 客户发送的报文并正确发送响应 DHCP 报文。最终效果：计算机能从运行的 DHCP 服务器程序获取 IP 地址等信息，并能通过 whireshark 抓到相应的交互报文。

二、协议原理

2.1 DHCP协议

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络协议，用于在计算机网络中自动分配IP地址和其他网络参数。DHCP协议通过一种客户端/服务器模型工作，其中DHCP服务器负责分配IP地址和配置其他网络参数，而DHCP客户端则向服务器请求分配IP地址。
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络协议，旨在自动分配IP地址和其他网络参数给连接到网络的设备。它采用客户端/服务器模型，其中DHCP服务器负责分配IP地址和配置网络参数，而DHCP客户端向服务器请求获取这些信息。
DHCP协议的工作过程如下：
DHCP发现：当设备连接到网络时，它会发送一个DHCP发现消息（DHCP Discover），使用广播方式向网络中的所有设备发送请求。这个消息表明设备正在寻找一个DHCP服务器来获取IP地址和其他配置参数。

DHCP提供：收到DHCP发现消息的DHCP服务器会回复一个DHCP提供消息（DHCP Offer）。这个消息包含一个可用的IP地址和其他网络配置参数，如子网掩码、默认网关、DNS服务器等。DHCP服务器可以维护一个地址池，从中选择一个可用的IP地址分配给设备。
DHCP请求：设备接收到DHCP提供消息后，可以选择接受其中的一个提供。然后它会发送一个DHCP请求消息（DHCP Request），请求该提供的IP地址。
DHCP确认：DHCP服务器收到DHCP请求消息后，会发送一个DHCP确认消息（DHCP Acknowledgment），确认IP地址的分配和其他配置参数的提供。设备接收到确认消息后，会将分配的IP地址和配置参数应用到自身的网络接口上。

2.2 DHCP协议的特点

以下是DHCP协议的主要特点：

1. 自动IP地址分配：DHCP允许网络中的设备在连接到网络时自动获取IP地址，而无需手动配置。这样可以简化网络管理，减少配置错误，并提高网络的可扩展性。
2. 动态地址分配：DHCP允许IP地址的动态分配，这意味着设备可以在每次连接到网络时获得不同的IP地址。这对于移动设备或临时连接到网络的设备非常有用。
3. 统一的网络参数配置：除了IP地址外，DHCP还可以配置其他网络参数，如子网掩码、默认网关、DNS服务器和其他自定义选项。通过集中管理这些参数，DHCP简化了网络配置和管理的过程。
4. 地址租约管理：DHCP服务器分配给客户端的IP地址通常是有限时间的租约。租约到期后，客户端需要更新租约或重新请求IP地址。这种租约管理机制使得网络资源可以更好地利用，并且可以防止长时间未使用的IP地址占用网络地址空间。

2.3 DHCP解决IP地址冲突

当在DHCP网络中发生IP地址冲突时，DHCP协议采取以下步骤进行处理：

1. IP地址检测：DHCP服务器在向客户端提供IP地址之前，会检测该地址是否已经在网络中被使用。这通常通过发送一个ARP请求（Address Resolution Protocol）来检查IP地址是否已被其他设备使用。如果收到ARP响应，表示IP地址已经被另一个设备占用，那么DHCP服务器会认为发生了IP地址冲突。
2. IP地址冲突处理：一旦DHCP服务器检测到IP地址冲突，它会采取以下措施之一来解决冲突：
   • 发送DHCP NAK消息：DHCP服务器可以发送一个DHCP NAK消息（Negative Acknowledgment）给客户端，通知其IP地址冲突，并要求客户端重新请求IP地址。客户端接收到DHCP NAK消息后，会放弃使用冲突的IP地址，并重新启动IP地址分配过程。
   • 选择新的IP地址：DHCP服务器可以选择一个新的可用IP地址，并将其分配给客户端。这样避免了冲突的IP地址继续被使用，并确保网络中的设备都具有唯一的IP地址。
3. 重新分配IP地址：在发生IP地址冲突后，客户端会重新启动IP地址获取过程。它会发送DHCP Discover消息，请求新的IP地址分配。DHCP服务器会检测并分配一个未被使用的IP地址给客户端。
   需要注意的是，DHCP协议本身并不能完全防止IP地址冲突的发生，因为设备之间可能存在其他方式来手动配置IP地址。然而，DHCP协议的IP地址冲突处理机制可以帮助识别和解决冲突，确保网络中的设备获得唯一的IP地址，并减少IP地址冲突对网络正常运行的影响。
   2.4 DHCP服务器IP分配三种方式
   DHCP服务器可以采用以下三种方式来分配IP地址：
4. 随机分配（Random Allocation）：在随机分配方式下，DHCP服务器从地址池中随机选择一个可用的IP地址并分配给客户端。这种方式简单快捷，但可能导致不同设备获得相同的IP地址，从而引发IP地址冲突。因此，随机分配通常适用于临时网络或不需要长期保留IP地址的场景。
5. 动态分配（Dynamic Allocation）：动态分配是DHCP协议的默认方式。在动态分配方式下，DHCP服务器从地址池中选择一个可用的IP地址分配给客户端，并为该IP地址设置一个租约时间。租约时间可以是固定的，也可以是可调整的。在租约到期之前，客户端可以一直使用该IP地址。一旦租约到期，客户端需要更新租约或重新请求IP地址。
6. 静态分配（Static Allocation）：静态分配是指在DHCP服务器上预先配置设备的IP地址分配。在这种方式下，DHCP服务器将特定的IP地址与设备的MAC地址（物理地址）进行绑定，并保持固定不变。当设备请求IP地址时，DHCP服务器会根据设备的MAC地址分配预先配置的IP地址。静态分配通常用于需要固定IP地址的设备，如服务器、打印机等。
   需要注意的是，无论采用哪种方式，DHCP服务器都会维护一个地址池，其中包含可用的IP地址。服务器确保分配给客户端的IP地址是唯一的，并根据需要进行管理和更新。这样可以更有效地使用IP地址资源，并提供灵活的地址分配机制。

2.4 DHCP协议的应用：

DHCP协议在计算机网络中有广泛的应用，以下是一些主要的应用场景：

1. 局域网（LAN）中的IP地址分配：在企业或家庭网络中，DHCP协议通常用于自动分配IP地址给局域网内的设备。当设备连接到网络时，它们可以通过DHCP请求自动获取IP地址和其他必要的网络参数，而无需手动配置每个设备的IP地址。
2. 公共无线网络：在公共场所，如咖啡馆、机场或酒店等提供的无线网络中，DHCP协议可以用于动态分配IP地址给连接到网络的移动设备。这样用户可以方便地连接到网络而无需手动配置IP地址。
3. VoIP电话系统：在VoIP（Voice over IP）电话系统中，DHCP协议可以用于为IP电话分配IP地址和其他必要的网络配置。当IP电话设备启动时，它可以通过DHCP请求获取与语音通信相关的网络参数。
4. 网络管理：DHCP协议还可以用于网络管理中的一些任务。例如，管理员可以使用DHCP服务器来限制特定设备的访问权限或为特定设备提供特殊的网络配置。
   总结起来，DHCP协议的主要应用领域是在计算机网络中自动分配IP地址和配置其他网络参数，以简化网络管理、提高可扩展性，并提供灵活的地址分配和配置机制。

三、分析程序代码

3.1 导入一些必要的库

上述代码片段引入了几个库：

1. tkinter：这是 Python 的标准图形用户界面（GUI）库，用于创建窗口、按钮、标签等用户界面元素，实现图形化的应用程序。它提供了一套简单的接口，用于与用户进行交互。
2. ttk：这是 tkinter 的一个模块，提供了一套主题化的用户界面控件，包括按钮、标签、文本框等，可以用于创建更现代化和美观的用户界面。
3. threading：这是 Python 的一个内置模块，用于进行多线程编程。它提供了创建和管理线程的功能，可以在程序中同时执行多个任务，提高程序的并发性和响应性。
4. socket：这是 Python 的一个标准库，用于网络编程。它提供了创建和使用套接字（socket）的功能，用于在网络上进行通信，包括建立连接、发送和接收数据等。
5. struct：这也是 Python 的一个标准库，用于处理二进制数据和结构体。它提供了一组函数，用于将数据打包成二进制格式或从二进制格式解析数据，用于处理底层的网络通信和数据传输。
   通过引入这些库，可以实现基于 tkinter 的图形化用户界面，同时通过 threading、socket 和 struct 等库来实现网络通信和数据处理的功能。

3.2 启动主程序

上述代码片段涉及到创建一个基于 tkinter 的图形化用户界面 (GUI) 应用程序的主要部分。

1. root = tk.Tk()：这行代码创建了一个名为 root 的顶级窗口对象，它将作为 GUI 应用程序的主窗口。
2. dhcp_server_gui = DHCP_Server_GUI(root)：这行代码创建了一个名为 dhcp_server_gui 的 DHCP_Server_GUI 对象，它是一个自定义的类的实例化对象。这个类应该是在其他地方定义的，它可能包含了创建用户界面的各种元素（例如按钮、标签、文本框等）以及处理用户交互的方法。
3. root.mainloop()：这行代码启动了主事件循环，它监听用户的输入和操作，并根据相应的事件进行响应。这个循环将一直运行，直到用户关闭应用程序的窗口。
   综合来看，上述代码创建了一个 tkinter 的 GUI 应用程序，并通过 DHCP_Server_GUI 类实例化对象来构建用户界面。然后，通过调用 root.mainloop() 启动主事件循环，使应用程序可以响应用户的交互操作。

3.3 编辑DHCP服务器流程

在上述代码中，我们可以看到，首先我们对DHCP_Server|_GUI类进行了初始化，初始化之后，画出GUI界面 ，通过这个界面设置启动服务，停止服务，连接DHCP服务器等功能，同时在连接的过程中，我们需要对客户端发送给服务端的DHCP Dsicover进行构建与解析，DHCP Offer报文也同样要进行构建解析，这也是在本次实验中最具有难度的地方，一不小心就出错了，需要匹配参数类型与字节数，而且大都是一长串的，所以要非常的谨慎。

3.4 构建GUI界面

上述代码是一个自定义的 `DHCP_Server_GUI` 类的初始化方法 `__init__(self, root)`。

1. self.root = root：将传入的 root 对象保存为类的属性，以便后续在类的其他方法中使用。
2. self.root.title("DHCP 服务器")：设置窗口的标题为 “DHCP 服务器”。
3. self.root.geometry("400x300")：设置窗口的大小为宽度 400 像素，高度 300 像素。
4. self.start_button = ttk.Button(self.root, text="启动服务器", command=self.start_server)：创建一个名为 start_button 的 ttk.Button 对象，显示文本为 “启动服务器”，并设置点击按钮时调用 self.start_server 方法。
5. self.start_button.pack(pady=20)：将 start_button 按钮放置在窗口中，并设置垂直方向上的间距为 20 像素。
6. self.stop_button = ttk.Button(self.root, text="停止服务器", command=self.stop_server, state=tk.DISABLED)：创建一个名为 stop_button 的 ttk.Button 对象，显示文本为 “停止服务器”，并设置点击按钮时调用 self.stop_server 方法。同时，设置按钮的状态为 tk.DISABLED，即初始状态下禁用该按钮。
7. self.stop_button.pack(pady=10)：将 stop_button 按钮放置在窗口中，并设置垂直方向上的间距为 10 像素。
8. self.status_label = ttk.Label(self.root, text="服务器未启动", font=("Arial", 12))：创建一个名为 status_label 的 ttk.Label 对象，显示文本为 “服务器未启动”，使用 Arial 字体，字号为 12。
9. self.status_label.pack(pady=10)：将 status_label 标签放置在窗口中，并设置垂直方向上的间距为 10 像素。
10. self.client_info_treeview = ttk.Treeview(self.root, columns=("IP", "MAC"), show="headings")：创建一个名为 client_info_treeview 的 ttk.Treeview 对象，显示两列，列标识符分别为 “IP” 和 “MAC”，并设置显示表头。
11. self.client_info_treeview.heading("IP", text="IP 地址")：设置表头 “IP” 的显示文本为 “IP 地址”。
12. self.client_info_treeview.heading("MAC", text="MAC 地址")：设置表头 “MAC” 的显示文本为 “MAC 地址”。
13. self.client_info_treeview.pack(pady=10)：将 client_info_treeview 的 Treeview 放置在窗口中，并设置垂直方向上的间距为 10 像素。
14. self.server_socket = None：初始化属性 server_socket 为 None，用于存储服务器的套接字对象。
15. self.server_thread = None：初始化属性 server_thread 为 None，用于存储服务器的线程对象。
16. self.stop_event = threading.Event()：创建一个名为 stop_event 的 threading.Event() 对象，用于在停止服务器时发送停止信号。
    综合来看，上述代码初始化了 DHCP 服务器的图形化用户界面，包括启动和停止服务器的按钮、服务器状态的标签、客户端信息的表格以及与服务器相关的属性。

最后我们讲得到的ip地址与mac地址插入到GUI界面中。

3.5 启动与暂停服务

上述代码是 DHCP_Server_GUI 类中的 start_server 方法的实现。

1. self.start_button.config(state=tk.DISABLED)：将 start_button 按钮的状态设置为 tk.DISABLED，即禁用该按钮，防止用户重复点击启动服务器。
2. self.stop_button.config(state=tk.NORMAL)：将 stop_button 按钮的状态设置为 tk.NORMAL，即启用该按钮，允许用户点击停止服务器。
3. self.status_label.config(text="服务器运行中", foreground="green")：将 status_label 标签的文本设置为 “服务器运行中”，并将文本颜色设置为绿色，以表示服务器正在运行。
4. self.server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)：创建一个 UDP 套接字对象，用于接收和发送数据包。
5. self.server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)：设置套接字选项，允许地址重用，以便在服务器关闭后能够快速重新启动。
6. self.server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)：设置套接字选项，允许发送广播数据包。
7. self.server_socket.bind(('192.168.1.5', 67))：将服务器套接字绑定到本地 IP 地址为 ‘192.168.1.5’，端口号为 67。这意味着服务器将监听该地址和端口上的数据包。
8. self.server_thread = threading.Thread(target=self.run_server)：创建一个名为 server_thread 的线程对象，目标函数为 self.run_server，即运行服务器的方法。
9. self.server_thread.start()：启动 server_thread 线程，开始运行服务器。
   综合来看，上述代码实现了启动服务器的操作。它禁用了启动按钮，启用了停止按钮，并更新了服务器状态标签的文本和颜色。然后，创建了一个 UDP 套接字对象，并设置了一些套接字选项。接下来，绑定了套接字到指定的 IP 地址和端口号。最后，创建并启动了一个线程，用于执行服务器的运行逻辑。
   

上述代码是 DHCP_Server_GUI 类中的 stop_server 方法的实现。

1. self.start_button.config(state=tk.NORMAL)：将 start_button 按钮的状态设置为 tk.NORMAL，即启用该按钮，允许用户点击启动服务器。
2. self.stop_button.config(state=tk.DISABLED)：将 stop_button 按钮的状态设置为 tk.DISABLED，即禁用该按钮，防止用户重复点击停止服务器。
3. self.status_label.config(text="服务器已停止", foreground="red")：将 status_label 标签的文本设置为 “服务器已停止”，并将文本颜色设置为红色，以表示服务器已停止。
4. self.stop_event.set()：设置 stop_event 事件，向服务器线程发送停止信号。
5. self.server_thread.join()：等待服务器线程完成执行，即等待服务器线程结束。
6. self.server_socket.close()：关闭服务器套接字，释放相关的系统资源。
   综合来看，上述代码实现了停止服务器的操作。它启用了启动按钮，禁用了停止按钮，并更新了服务器状态标签的文本和颜色。然后，设置了停止事件，向服务器线程发送停止信号。接着，等待服务器线程执行结束，并关闭服务器套接字，释放相关资源。

3.6 运行服务

在4.5节中，我们提到start_server中启动程序和线程，因此调动了run_server方法。接下来我们详细解释一下这个方法。

上述代码是 DHCP_Server_GUI 类中的 run_server 方法的实现。

1. while not self.stop_event.is_set():：在停止事件 stop_event 未被设置的情况下循环执行以下代码，即只要停止事件未发生，就继续运行服务器。
2. data, addr = self.server_socket.recvfrom(1024)：从服务器套接字接收最多 1024 字节的数据，并将数据和发送方地址保存到 data 和 addr 变量中。
3. request_packet = self.parse_dhcp_packet(data)：调用 parse_dhcp_packet 方法解析接收到的 DHCP 报文，将解析结果保存到 request_packet 变量中。
4. if request_packet[0] == 1:：判断解析后的 DHCP 报文的第一个字段是否为 1，即判断是否为 DHCP Discover 报文。
5. offer_packet = self.create_dhcp_offer(request_packet)：调用 create_dhcp_offer 方法创建 DHCP Offer 报文，将 DHCP Discover 报文作为参数传入，并将创建的报文保存到 offer_packet 变量中。
6. self.server_socket.sendto(offer_packet, addr)：将 DHCP Offer 报文通过服务器套接字发送给客户端的地址 addr。
7. self.update_client_info(addr[0], request_packet[11:12])：调用 update_client_info 方法，将客户端的 IP 地址和 MAC 地址作为参数传入，用于更新客户端信息。
8. except socket.timeout: continue：捕获套接字超时异常，如果发生超时，则继续循环等待接收数据。
   综合来看，上述代码实现了服务器的主要逻辑。它通过循环接收客户端发送的 DHCP 报文，判断报文类型并创建相应的回复报文，并将回复报文发送给客户端。同时，更新客户端的信息。如果发生套接字超时异常，则继续等待接收数据。

3.7 解析DHCP包

上述代码是 DHCP_Server_GUI 类中的 parse_dhcp_packet 方法的实现。

1. dhcp_format = '!BBBBLHHLLLL16s64s128sBBBBBB'：定义了一个格式字符串 dhcp_format，用于指定 DHCP 报文的解析格式。该格式字符串描述了 DHCP 报文中各个字段的类型、顺序和长度。
2. print("dhcp_format==",dhcp_format,len(dhcp_format))：打印格式字符串 dhcp_format 的值和长度，用于调试和确认格式字符串的正确性。
3. request_packet = struct.unpack(dhcp_format, data)：使用 struct.unpack 函数根据格式字符串 dhcp_format 将接收到的二进制数据 data 解析成一个元组。解析结果保存在 request_packet 变量中。
4. return request_packet：返回解析后的 DHCP 报文，即一个包含各个字段值的元组。
   请注意，struct.unpack 函数根据提供的格式字符串将二进制数据解析为指定的类型和顺序。确保提供给 struct.unpack 函数的数据长度与格式字符串所需的长度一致，并确保格式字符串与要解包的数据的结构相匹配，包括字段的数量、类型和顺序。这可以确保正确解析 DHCP 报文并获得所需的字段值。

构建DHCP Offer报文，在这里我们根据DHCP协议报文的格式，进行报文的打包，在这里比较麻烦，要一个一个区匹配每个参数，以及参数的大小与类型，所以非常容易出错并且难以查找问题，因此我们使用这种分开形式来进行打包，这样就非常容易匹配而且很轻松的维护。

四、总结

在上述实验中，我们实现了一个简化的 DHCP 服务器，用于为网络中的主机动态分配 IP 地址和其他配置信息。通过理解 DHCP 协议的工作原理和报文格式，我们成功地构建了一个基本的 DHCP 服务器，并实现了以下功能和流程：

1. 服务器设置：我们通过创建一个 socket 对象，将其绑定到服务器的网络接口上，以侦听和接收 DHCP 客户端的请求报文。
2. DHCP 请求处理：服务器通过循环持续监听 DHCP 客户端的请求报文。一旦收到请求报文，就进行以下处理：
   • 解析报文：服务器解析 DHCP 请求报文，提取相关信息，如消息类型、客户端标识和请求的选项等。
   • DHCP 响应构建：根据消息类型，服务器生成相应的 DHCP 响应报文。对于 DHCP Discover 消息，服务器构建 DHCP Offer 报文；对于 DHCP Request 消息，服务器构建 DHCP Ack 报文。
   • 填充配置信息：服务器在 DHCP 响应报文中填充必要的配置信息，如分配的 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器和租约时间等。
   • 发送响应报文：服务器将构建好的 DHCP 响应报文发送给相应的 DHCP 客户端，以完成 IP 地址和配置信息的分配过程。
3. IP 地址管理：服务器在成功分配 IP 地址后，更新自己的 IP 地址分配表，将所分配的 IP 地址标记为已使用状态。
4. 可选操作：如果需要，可以实现租约续约、租约过期和 IP 地址释放等机制，以确保 IP 地址的有效管理和可靠分配。
   通过以上步骤，我们成功地实现了一个基本的 DHCP 服务器，能够为网络中的主机动态分配 IP 地址和其他配置信息，实现了 DHCP 协议中客户端和服务器之间的交互过程。
   · 值得注意的是，上述实验中的 DHCP 服务器只是一个简化版本，具有基本的功能和流程。实际的 DHCP 服务器可能需要更多的功能和复杂性，例如处理更多的 DHCP 选项、支持多个 IP 地址池、实现租约管理和日志记录等。因此，在实际部署 DHCP 服务器时，需要根据具体需求进行进一步的开发和配置。
   总之，通过实现 DHCP 服务器，我们深入理解了 DHCP 协议的工作原理，并学习了如何动态分配 IP 地址和配置信息给网络中的主机。这对于构建和管理大型网络以及提供自动化的网络配置是非常重要的。

五、参考文献

以下是一些参考文献，结合 DHCP 协议和相关实验，可以帮助您更深入地了解 DHCP 的工作原理和实现：

1. RFC 2131: Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)：这是 DHCP 协议的官方规范文档，提供了关于 DHCP 协议的详细描述，包括消息格式、选项字段和协议行为等。
2. RFC 2132: DHCP Options and BOOTP Vendor Extensions：该文档扩展了 RFC 2131 中定义的 DHCP 选项，并介绍了 BOOTP 厂商扩展的使用。
3. RFC 1542: Clarifications and Extensions for the Bootstrap Protocol：此文档提供了对 DHCP 前身 BOOTP 协议的补充和扩展，为理解 DHCP 提供了背景和历史。
4. “DHCP Handbook” by Ralph Droms and Ted Lemon：这是一本详细介绍 DHCP 协议和实现的实用手册，对 DHCP 的工作原理、报文格式和服务器实现进行了全面的讲解。
5. “TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols” by W. Richard Stevens：该书深入介绍了 TCP/IP 协议族，包括 DHCP 在内的各种协议，提供了对 DHCP 的详细解释和示例。
6. “DHCP for Windows 2000: Managing the Dynamic Host Configuration Protocol” by Neall Alcott：这本书针对 Windows 2000 平台的 DHCP 实现进行了阐述，包括服务器配置、管理和故障排除等方面的内容。
7. “The DHCP Handbook” by Ralph Droms and Ted Lemon：这本书提供了全面的 DHCP 指南，包括协议的详细说明、服务器和客户端的实现示例以及网络配置的最佳实践。
8. “DHCP: A Guide to Dynamic TCP/IP Network Configuration” by Berry Kercheval：该书提供了关于 DHCP 的全面介绍，从基础概念到实际部署和故障排除，涵盖了各个方面的知识
9. “Practical Packet Analysis: Using Wireshark to Solve Real-World Network Problems” by Chris Sanders：Wireshark 是一款常用的网络抓包工具，本书介绍了如何使用 Wireshark 分析网络流量，包括 DHCP 的抓包和分析技巧。
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