2 题型 - DHCP应用
Chinese-language Computer Science 408 note: 2 题型 - DHCP应用. Original source available where applicable.
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描述：DHCP 为主机自动配置 IPv4 地址、掩码、默认网关和 DNS 等参数。常考点是 UDP 端口、DISCOVER 的源/目的地址、DORA 四步、广播不能跨路由器以及 DHCP 中继和租约更新。
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2.1 DHCP 基本标识
| 项目 | 值 |
|---|---|
| 运输层协议 | UDP |
| DHCP 服务器端口 | UDP 67 |
| DHCP 客户端端口 | UDP 68 |
| IPv4 首部协议字段 | 17，表示 UDP |
| 初始客户端源地址 | 0.0.0.0 |
| 初始受限广播目的地址 | 255.255.255.255 |
客户端刚接入网络时还没有可用 IPv4 地址，也不知道服务器地址，因此用 0.0.0.0 表示未知源地址，并通过受限广播寻找 DHCP 服务器。
2.2 DORA 四步
DHCP 初始租约过程可记为 DORA：
| 步骤 | 报文 | 作用 | 典型方向 |
|---|---|---|---|
| D | DHCPDISCOVER | 客户端广播寻找服务器 | 客户端 -> 广播 |
| O | DHCPOFFER | 服务器提供地址和配置参数 | 服务器 -> 客户端/广播 |
| R | DHCPREQUEST | 客户端选择一个 OFFER 并申请该租约 | 客户端 -> 广播 |
| A | DHCPACK | 服务器确认租约，客户端可启用配置 | 服务器 -> 客户端/广播 |
2.2.1 DHCPDISCOVER
典型初始封装：
源 IP：0.0.0.0
目的 IP：255.255.255.255
源 UDP 端口：68
目的 UDP 端口：67
IPv4 Protocol：17
2.2.2 DHCPOFFER 与地址冲突检测
- DHCP 服务器收到 DISCOVER 后，可在提供地址前使用 ARP 探测候选地址是否已被占用。
- 一个网络中可能有多台 DHCP 服务器，因此客户端可能收到多个 OFFER。
2.2.3 DHCPREQUEST
客户端选择一个 OFFER 后，通常广播 DHCPREQUEST：
- 被选中的服务器知道客户端接受了自己的方案。
- 其他服务器也能看到选择结果，收回各自预留的候选地址。
2.2.4 DHCPACK 与客户端检测
- 服务器发送 DHCPACK 后，租约正式生效。
- 客户端还可用 ARP 检测获分地址是否被其他主机占用。
- 若发现冲突，可发送 DHCPDECLINE，放弃该地址并重新开始 DISCOVER。
2.3 模拟题拓扑与三问
2.3.1 拓扑条件
- 网络 N1、N2 使用 100BaseT 集线器，N3 使用 10BaseT 集线器。
- 主机 H 位于 N1。
- Web 服务器 $S_{Web}$ 位于 N2。
- DHCP 服务器 $S_{DHCP}$ 位于 N3。
- N1、N2、N3 由路由器 R 互联。
H 要跨路由器 R 从 $S_{DHCP}$ 获得 IPv4 地址、掩码和默认网关等配置。
2.3.2 第（1）问：运输层协议
DHCP 报文使用 UDP 封装。
答案：UDP。
2.3.3 第（2）问：DISCOVER 的 IPv4 首部
客户端发送 DISCOVER 时尚未获得 IPv4 地址，所以：
源地址字段：0.0.0.0
协议字段：17
协议字段 17 表明 IP 数据载荷是 UDP。
2.3.4 第（3）问：跨路由器获取配置
目的地址 255.255.255.255 是受限广播，路由器默认不会把它转发到其他网络；H 在 N1、DHCP 服务器在 N3，普通广播无法直接到达服务器。
因此必须在 R 上配置 DHCP 中继代理，并指定 DHCP 服务器位置。
答案：在 R 上配置 DHCP Relay。
2.4 DHCP 中继代理
中继的基本工作过程：
- 路由器接口在客户端所在网段接收 DHCP 广播。
- 中继填写能标识客户端来源网段的信息，并把请求转发给远端 DHCP 服务器。
- 服务器根据来源网段选择相应地址池，把响应送回中继。
- 中继再在客户端网段广播或单播交付响应。
中继不是简单打开“广播转发”：它以 DHCP 协议代理的身份在不同网段间转交消息，并帮助服务器判断应从哪个子网分配地址。
flowchart LR
H[客户端 H / N1] -->|DHCP 广播| R[路由器 R / DHCP Relay]
R -->|转交请求| S[DHCP 服务器 / N3]
S -->|响应| R
R -->|广播或单播| H
2.5 租约更新、重新绑定与释放
2.5.1 T1：0.5 倍租用期
租期经过约 50% 时，客户端进入续租阶段，通常向原 DHCP 服务器发送 DHCPREQUEST：
- 收到 DHCPACK：获得新的租期。
- 收到 DHCPNAK：立即停止使用该地址，重新开始 DISCOVER。
- 未收到响应：继续暂时使用现有地址，等待重新绑定阶段。
2.5.2 T2：0.875 倍租用期
租期经过约 87.5% 时仍未续租成功，客户端进入重新绑定：
- 广播 DHCPREQUEST，允许任意可用 DHCP 服务器响应。
- 收到 ACK：获得新租期。
- 收到 NAK：停止使用该地址并重新发现。
- 租期到期仍无响应：必须停止使用该地址，再发送 DHCPDISCOVER。
2.5.3 主动释放
客户端不再需要地址时，可以发送 DHCPRELEASE 主动解除租约，使服务器尽早回收地址；释放不是正常到期前必须执行的四步握手之一。
2.6 相关协议与端口速查
| 协议 | 下层协议/编号 | 常用端口或协议号 |
|---|---|---|
| HTTP | TCP | 80 |
| FTP | TCP | 控制 21，主动模式数据 20 |
| SMTP | TCP | 25 |
| POP3 | TCP | 110 |
| BGP | TCP | 179 |
| DHCP | UDP | 服务器 67，客户端 68 |
| DNS | UDP/TCP | 53 |
| TFTP | UDP | 69 |
| RIP | UDP | 520 |
| ICMP | 直接封装在 IP | IPv4 协议号 1 |
| IGMP | 直接封装在 IP | IPv4 协议号 2 |
| OSPF | 直接封装在 IP | IPv4 协议号 89 |
ARP 不封装在 IP 中，它在本地链路上完成 IPv4 地址到 MAC 地址的解析。
2.7 解题步骤
- 看到 DHCP，先写 UDP、服务器 67、客户端 68、IP 协议号 17。
- 客户端尚无地址时，源 IP 写
0.0.0.0，目的通常为255.255.255.255。 - 按 DISCOVER、OFFER、REQUEST、ACK 判断当前处于哪一步。
- DHCP 服务器与客户端跨路由器时，检查是否配置 DHCP Relay。
- 租约题记住 T1=0.5、T2=0.875，并区分续租、重新绑定与到期失效。
- 若出现地址冲突，联想到 ARP 检测、DHCPDECLINE 和重新发现。
2.8 易错点
- DHCP 使用 UDP，不使用 TCP；IPv4 协议字段应填 17，不是端口号 67 或 68。
0.0.0.0是尚无地址时的源地址，255.255.255.255是本地受限广播目的地址。- 路由器默认不转发受限广播，跨网段 DHCP 需要中继代理。
- DHCP 中继不是 DHCP 服务器；它转交消息，真正的地址池仍由服务器管理。
- DORA 的第三步 REQUEST 通常广播，以通知所有提供过地址的服务器。
- DHCPACK 后仍可能通过 ARP 发现冲突；冲突时不能继续使用该地址。
- T1 续租优先联系原服务器，T2 重新绑定面向任意服务器。
相关知识
- 科目导航：计算机网络导航
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- 关联专题：应用层总纲
2.9 本节复盘
- DHCP 使用 UDP，服务器端口 67、客户端端口 68，IPv4 协议字段为 17。
- 初始 DHCPDISCOVER 通常从
0.0.0.0:68发往255.255.255.255:67。 - 初始租约采用 DISCOVER、OFFER、REQUEST、ACK 四步。
- 模拟题中 H 与 DHCP 服务器跨越路由器 R，必须在 R 上配置 DHCP 中继代理。
- DHCP 服务器和客户端可使用 ARP 检测地址冲突，客户端发现冲突后可发送 DHCPDECLINE。
- 约 0.5 租期开始续租，约 0.875 租期开始重新绑定；到期仍失败就停止使用地址并重新 DISCOVER。