DHCP原理简析及交互实践

环境：
os：centos7
dnsmasq：version 2.76

一. dhcp工作原理

首先补充几个dhcp相关的基本概念：
1、动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络管理协议，用于集中对用户IP地址进行动态管理和配置。
2、DHCP协议采用UDP作为传输协议，DHCP客户端发送请求消息到DHCP服务器的67号端口，DHCP服务器回应应答消息给DHCP客户端的68号端口

3、在没有部署DHCP中继的场景下，首次接入网络的DHCP客户端与DHCP服务器的报文交互称为DHCP报文四步交互，如下图：

4、当DHCP客户端非首次接入网络时，可以重用曾经使用过的地址。客户端广播发送包含前一次分配的IP地址的DHCP REQUEST报文，报文中的Option50（请求的IP地址选项）字段填入曾经使用过的IP地址。DHCP服务器收到DHCP REQUEST报文后，根据DHCP REQUEST报文中携带的MAC地址来查找有没有相应的租约记录，如果有则返回DHCP ACK报文，通知DHCP客户端可以继续使用这个IP地址。否则，保持沉默，等待客户端重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址

二. 实践

2.1 准备

参考文章《【云计算 | Openstack】KVM虚机通过dhcp自动获取地址》，使用dnsmasq作为dhcp服务端，使用virsh虚机作为dhcp客户端。

网络架构如下图所示，dnsmasq监听网桥br0的67号端口

2.2 开始dhcp并抓包

当客户端开始dhcp时，对虚机口进行抓包结果如下：

2.3 报文分析

上文提到dhcp的4步交互前提是：dhcp客户端首次接入网络。本次实践dhcp客户端非首次接入，同时修改了dhcp地址池的cidr信息。因此整个dhcp流程大致为：
客户端发送dhcp request——无响应——客户端重新发送dhcp discover——服务端响应dhcp offer——客户端发送dhcp request——服务端响应dhcp ack

1、先看下报文1-2DHCP Request

客户端发送两次dhcp request报文想继续使用之前申请的地址

2、报文3DHCP Discover，该步是发现阶段

客户端发送的dhcp request收不到响应，因此DHCP客户端以广播方式发送DHCP DISCOVER报文（目的IP地址为255.255.255.255）给同一网段内的所有设备（包括DHCP服务器或中继）。DHCP DISCOVER报文中携带了客户端的MAC地址、需要请求的参数列表选项（Option55）、广播标志位（flags字段）等信息。

（Option 55 包含的内容）

3、报文4-7

dhcp服务端收到了discover报文后，连续发送3个arp和一个icmp报文，用来判断地址11.11.1.70是否被其他客户端占用

4、报文8DHCP Offer，该步是提供阶段

服务端选择一个可用的IP地址，然后通过DHCP OFFER报文发送给DHCP客户端，Option 1包含了该ip地址的掩码位

5、报文9DHCP Request，该步是选择阶段

如果有多个DHCP服务器向DHCP客户端回应DHCP OFFER报文，则DHCP客户端一般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，该报文中包含客户端想选择的DHCP服务器标识符（即Option54）和客户端IP地址（即Option50）。
DHCP客户端广播发送DHCP REQUEST报文通知所有的DHCP服务器，它将选择某个DHCP服务器提供的IP地址，其他DHCP服务器可以重新将曾经分配给客户端的IP地址分配给其他客户端。

6、报文10DHCP ACK，该步是确认阶段

当DHCP服务器收到DHCP客户端发送的DHCP REQUEST报文后，DHCP服务器回应DHCP ACK报文，表示DHCP REQUEST报文中请求的IP地址（Option50填充的）分配给客户端使用。

7、报文11-12

DHCP客户端收到DHCP ACK报文，会广播发送免费ARP报文，探测本网段是否有其他终端使用服务器分配的IP地址，如果在指定时间内没有收到回应，表示客户端可以使用此地址

8、报文13-14

DHCP客户端收到DHCP ACK报文，会广播发送ARP报文，获取网关的MAC信息（网关的ip地址在dhcp offer 和dhcp ack报文的Option 3 中均有体现）