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DHCP简介
定义
动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种用于集中对用户IP地址进行动态管理和配置的技术。即使规模较小的网络，通过DHCP也可以使后续增加网络设备变得简单快捷。
- DHCP允许计算机动态地获取IP地址，而不是静态为每台主机指定地址。
- DHCP能够分配其他配置参数，例如客户端的启动配置文件，使客户端仅用一个消息就获取它所需要的所有配置信息。
DHCP协议由RFC 2131定义，采用客户端/服务器通信模式，由客户端（DHCP Client）向服务器（DHCP Server）提出配置申请，服务器返回为客户端分配的配置信息。
DHCP可以提供两种地址分配机制，网络管理员可以根据网络需求为不同的主机选择不同的分配策略。
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动态分配机制：通过DHCP为主机分配一个有使用期限（这个使用期限通常叫做租期）的IP地址。
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静态分配机制：网络管理员通过DHCP为指定的主机分配固定的IP地址。
受益
DHCP受益主要有以下两点：
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降低客户端的配置和维护成本
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集中管理
DHCP组网
包括以下三种角色：
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DHCP服务器
DHCP服务器负责从地址池中选择IP地址分配至DHCP客户端，还可以为DHCP客户端提供其他网络参数，如默认网关地址、DNS服务器地址和WINS服务器地址。DHCP服务器可以接收处理来自本网段或跨网段由DHCP中继转发的DHCP请求报文。
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DHCP客户端
DHCP客户端发送DHCP请求报文、通过BOOTP或DHCP协议请求获取IP地址等网络参数的设备。例如，IP电话、PC、手机、无盘工作站等。
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DHCP中继
DHCP中继负责转发DHCP服务器和DHCP客户端之间的DHCP报文，协助DHCP服务器向DHCP客户端动态分配网络参数的设备。
DHCP客户端广播发送请求报文（即目的IP地址为255.255.255.255），位于同一网段内的DHCP服务器能够接收请求报文。如果DHCP客户端和DHCP服务器不在同一个网段，DHCP服务器无法接收来自客户端的请求报文，此时，需要通过DHCP中继来转发DHCP报文。不同于传统的IP报文转发，DHCP中继接收到DHCP请求或应答报文后，会重新修改报文格式并生成一个新的DHCP报文再进行转发。
DHCP租期和地址池
租期
DHCP服务器给每个分配给客户端的IP地址定义一个使用期限，该使用期限被称为租期。在租期到期前，DHCP客户端如果仍需要使用该IP地址，可以请求延长租期；如果不需要，可以主动释放该IP地址。在没有其他空闲地址可用的情况下，DHCP服务器会把客户端主动释放的IP地址分配给其他客户端。
地址池
地址池指的是DHCP服务器可以为客户端分配的所有IP地址的集合。
根据创建方式的不同，地址池可以分为基于接口方式的地址池和基于全局方式的地址池。
- 基于接口方式的地址池：在DHCP服务器与客户端相连的接口上配置IP地址，地址池是跟此接口地址所属同一网段的IP地址，且地址池中地址只能分配给此接口下的客户端。
- 基于全局方式的地址池：在系统视图下创建指定网段的地址池，且地址池中地址可以分配给设备所有接口下的客户端。当DHCP服务器与客户端不在同一个网段时，需要部署DHCP中继。
DHCP报文类型
DHCP服务器与DHCP客户端之间通过DHCP报文进行通信。DHCP报文是基于UDP协议传输的。DHCP客户端使用的源端口号为68，DHCP服务器使用的源端口号为67。目前DHCP定义了如下八种类型报文。
| 报文名称 | 说明 |
|---|---|
| DHCP DISCOVER | DHCP客户端首次登录网络时进行DHCP交互过程发送的第一个报文，用来寻找DHCP服务器。 |
| DHCP OFFER | DHCP服务器用来响应DHCP DISCOVER报文，此报文携带了各种配置信息。 |
| DHCP REQUEST | 此报文用于以下三种用途。
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| DHCP ACK | 服务器对客户端的DHCP REQUEST报文的确认响应报文，客户端收到此报文后，才真正获得了IP地址和相关的配置信息。 |
| DHCP NAK | 服务器对客户端的DHCP REQUEST报文的拒绝响应报文，例如DHCP服务器收到DHCP REQUEST报文后，没有找到相应的租约记录，则发送DHCP NAK报文作为应答，告知DHCP客户端无法分配合适IP地址。 |
| DHCP DECLINE | 当客户端发现服务器分配给它的IP地址发生冲突时会通过发送此报文来通知服务器，并且会重新向服务器申请地址。 |
| DHCP RELEASE | 客户端可通过发送此报文主动释放服务器分配给它的IP地址，当服务器收到此报文后，可将这个IP地址分配给其它的客户端。 |
| DHCP INFORM | DHCP客户端获取IP地址后，如果需要向DHCP服务器获取更为详细的配置信息（网关地址、DNS服务器地址），则向DHCP服务器发送DHCP INFORM请求报文。 |
DHCP报文中的Options字段
DHCP报文中的Options字段用来存放分配给DHCP客户端的控制信息和参数，位于DHCP报文末尾的options字段。Options字段由Type、Length和Value三部分组成。
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Type | 1字节 | 该字段表示信息类型。 |
| Length | 1字节 | 该字段表示后面信息内容的长度。 |
| Value | 其长度为Length字段所指定 | 该字段表示信息内容。 |
DHCP Options选项的取值范围为1～255。DHCP Options选项包括预定义选项和用户自定义选项
| Options号 | Options作用 |
|---|---|
| 1 | 设置子网掩码选项。 |
| 43 | 设置厂商自定义选项。 |
| 148 | 设置Commander的地址或者iMaster NCE-Campus的地址。 |
厂商特定信息选项（Option43）
Option43称为厂商特定信息选项。
中继代理信息选项（Option82）
Option82称为中继代理信息选项，该选项记录了DHCP客户端的位置信息。DHCP中继或DHCP Snooping设备接收到DHCP客户端发送给DHCP服务器的请求报文后，在该报文中添加Option82，并转发给DHCP服务器。
DHCP原理描述
DHCP服务器给首次接入网络的客户端分配网络参数的工作原理
只有跟DHCP客户端在同一个网段的DHCP服务器才能收到DHCP客户端广播的DHCP DISCOVER报文。当DHCP客户端与DHCP服务器不在同一个网段时，必须部署DHCP中继来转发DHCP客户端和DHCP服务器之间的DHCP报文。
下面分别从无中继和有中继两个场景介绍DHCP客户端首次接入网络的工作原理。
无中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理
如图1所示，在没有部署DHCP中继的场景下，首次接入网络DHCP客户端与DHCP服务器的报文交互过程，该过程称为DHCP报文四步交互。
图1 无中继场景时DHCP客户端首次接入网络的报文交互示意图
第一步：发现阶段
首次接入网络的DHCP客户端不知道DHCP服务器的IP地址，为了学习到DHCP服务器的IP地址，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（chaddr字段）、需要请求的参数列表选项（Option55）、广播标志位（flags字段）等信息。
第二步：提供阶段
与DHCP客户端位于同一网段的DHCP服务器都会接收到DHCP DISCOVER报文，DHCP服务器选择跟接收DHCP DISCOVER报文接口的IP地址处于同一网段的地址池，并且从中选择一个可用的IP地址，然后通过DHCP OFFER报文发送给DHCP客户端。
通常，DHCP服务器的地址池中会指定IP地址的租期，如果DHCP客户端发送的DHCP DISCOVER报文中携带了期望租期，服务器会将客户端请求的期望租期与其指定的租期进行比较，选择其中时间较短的租期分配给客户端。
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.如果存在多个dhcp服务器则其他DHCP服务器也会收到该报文，以确认客户端已经被分配地址，则其他DHCP服务器重新为其他客户端分配地址。
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.
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。如果收到了回应，说明有其他终端使用了此地址，客户端会向服务器发送DHCP DECLINE报文，并重新向服务器请求IP地址，同时，服务器会将此地址列为冲突地址。
有中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理
有DHCP中继的场景中，首次接入网络的DHCP客户端和DHCP服务器的工作原理与无中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理相同。主要差异是DHCP中继在DHCP服务器和DHCP客户端之间转发DHCP报文，以保证DHCP服务器和DHCP客户端可以正常交互。下面仅针对DHCP中继的工作原理进行介绍。
图2 有中继场景时DHCP客户端首次接入网络的报文交互示意图
第一步：发现阶段
DHCP中继接收到DHCP客户端广播发送的DHCP DISCOVER报文后，进行如下处理：
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检查DHCP报文中的hops字段，如果大于16，则丢弃DHCP报文；否则，将hops字段加1（表明经过一次DHCP中继），并继续下面的操作。
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检查DHCP报文中的giaddr字段。如果是0，将giaddr字段设置为接收DHCP DISCOVER报文的接口IP地址。如果不是0，则不修改该字段，继续下面的操作。
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将DHCP报文的目的IP地址改为DHCP服务器或下一跳中继的IP地址，源地址改为中继连接客户端的接口地址，通过路由转发将DHCP报文单播发送到DHCP服务器或下一跳中继。
如果DHCP客户端与DHCP服务器之间存在多个DHCP中继，后面的中继接收到DHCP DISCOVER报文的处理流程同前面所述。
第二步：提供阶段
DHCP服务器接收到DHCP DISCOVER报文后，选择与报文中giaddr字段为同一网段的地址池，并为客户端分配IP地址等参数，然后向giaddr字段标识的DHCP中继单播发送DHCP OFFER报文。
DHCP中继收到DHCP OFFER报文后，会进行如下处理：
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检查报文中的giaddr字段，如果不是接口的地址，则丢弃该报文；否则，继续下面的操作。
- DHCP中继检查报文的广播标志位。如果广播标志位为1，则将DHCP OFFER报文广播发送给DHCP客户端；否则将DHCP OFFER报文单播发送给DHCP客户端。
第三步：选择阶段
中继接收到来自客户端的DHCP REQUEST报文的处理过程相同。
第四步：确认阶段
中继接收到来自服务器的DHCP ACK报文的处理过程相同。
DHCP客户端更新租期的工作原理
DHCP服务器采用动态分配机制给客户端分配IP地址时，分配出去的IP地址有租期限制。DHCP客户端向服务器申请地址时可以携带期望租期，服务器在分配租期时把客户端期望租期和地址池中租期配置比较，分配其中一个较短的租期给客户端。租期到期或者客户端下线释放地址后，服务器会收回该IP地址，收回的IP地址可以继续分配给其他客户端使用。这种机制可以提高IP地址的利用率，避免客户端下线后IP地址继续被占用。如果DHCP客户端希望继续使用该地址，需要更新IP地址的租期（如延长IP地址租期）。
DHCP客户端更新租期的过程如图1所示。
- 当租期达到50%（T1）时，DHCP客户端会自动以单播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功（即租期从0开始计算）；如果收到DHCP NAK报文，则重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
- 当租期达到87.5%（T2）时，如果仍未收到DHCP服务器的应答，DHCP客户端会自动以广播的方式向DHCP服务器发送DHCP REQUEST报文，请求更新IP地址租期。如果收到DHCP服务器回应的DHCP ACK报文，则租期更新成功（即租期从0开始计算）；如果收到DHCP NAK报文，则重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
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如果租期时间到时都没有收到服务器的回应，客户端停止使用此IP地址，重新发送DHCP DISCOVER报文请求新的IP地址。
实验步骤：
基于全局地址池配置DHCP
图1 配置DHCP服务器实现为动态客户端和静态客户端分配不同网络参数组网图
组网需求
如图1所示，IP Phone和PC为某办公区办公设备。为了方便统一管理，降低手工配置成本，管理员希望网络主机通过DHCP协议动态获取IP地址。其中，PC为值班室固定终端，需要永久在线，且需要通过域名访问网络设备，因此，除了动态获取IP地址，还需要地址的租期为无限长，且需要获取DNS服务器信息；IP Phone使用固定IP地址10.1.1.4/24，MAC地址为00e0-fc12-3456，除了获取IP地址，还需要动态获取启动配置文件，且启动配置文件configuration.ini存放在FTP文件服务器上。IP Phone与FTP文件服务器路由可达。PC和IP Phone的网关地址为10.1.1.1/24。
配置思路
- 在SwitchA上创建DHCP Option模板，并在DHCP Option模板视图下为静态客户端IP Phone配置启动配置文件和获取启动配置文件的网络服务器的地址。
- 在SwitchA上创建全局地址池，并在全局地址池视图下为动态客户端PC配置租期和DNS服务器信息；为静态客户端IP Phone绑定IP地址和DHCP Option模板，从而实现为动态客户端和静态客户端分配不同的网络参数。
SwitchA的配置文件
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sysname SwitchA
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vlan batch 10
#
dhcp enable
#
dhcp option template template1
gateway-list 10.1.1.1
next-server 10.1.1.3
#
ip pool pool1
gateway-list 10.1.1.1
network 10.1.1.0 mask 255.255.255.0
excluded-ip-address 10.1.1.2 10.1.1.3
static-bind ip-address 10.1.1.4 mac-address 00e0-fc12-3456 option-template template1
lease unlimited
dns-list 10.1.1.2
#
interface Vlanif10
ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
dhcp select global
#
interface GigabitEthernet0/0/1
port link-type hybrid
port hybrid pvid vlan 10
port hybrid untagged vlan 10
#
return验证配置结果
在SwitchA上使用display ip pool name pool1命令用来查看IP地址池配置情况。