介紹

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態(tài)主機配置協(xié)議）通常被應用在大型的局域網(wǎng)絡環(huán)境中，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使網(wǎng)絡環(huán)境中的主機動態(tài)的獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務器地址等信息，并能夠提升地址的使用率。

DHCP協(xié)議采用客戶端/服務器模式。客戶機登錄服務器時可以自動獲得DHCP服務器分配的IP地址和子網(wǎng)掩碼，這也是現(xiàn)在接入網(wǎng)技術中供應商給用戶(賬號)提供IP地址的手段。

原理

端口

首先DHCP是基于UDP的兩個端口實現(xiàn)的，DHCP提供服務時，客戶端以68號端口進行數(shù)據(jù)傳輸，服務器端以67號端口進行數(shù)據(jù)傳輸。

DHCP報文類型

DHCP一共有8中報文，分別為DHCP Discover、DHCP Offer、DHCP Request、DHCP ACK、DHCP NAK、DHCP Release、DHCP Decline、DHCP Inform。

DHCP Discover: DHCP客戶端在請求IP地址時并不知道DHCP服務器的位置，因此DHCP客戶端會在本地網(wǎng)絡內(nèi)以廣播方式發(fā)送Discover請求報文，以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的DHCP服務器。所有收到Discover報文的DHCP服務器都會發(fā)送應答報文，DHCP客戶端據(jù)此可以知道網(wǎng)絡中存在的DHCP服務器的位置。

DHCP Offer:DHCP服務器收到Discover報文后，就會在所配置的地址池中查找一個合適的IP地址，加上相應的租約期限和其他配置信息（如網(wǎng)關、DNS服務器等），構造一個Offer報文，發(fā)送給DHCP客戶端，告知用戶本服務器可以為其提供IP地址。但這個報文只是告訴DHCP客戶端可以提供IP地址，最終還需要客戶端通過ARP來檢測該IP地址是否重復。

DHCP Request:DHCP客戶端可能會收到很多Offer請求報文，所以必須在這些應答中選擇一個。通常是選擇第一個Offer應答報文的服務器作為自己的目標服務器，并向該服務器發(fā)送一個廣播的Request請求報文，通告選擇的服務器，希望獲得所分配的IP地址。另外，DHCP客戶端在成功獲取IP地址后，在地址使用租期達到50%時，會向DHCP服務器發(fā)送單播Request請求報文請求續(xù)延租約，如果沒有收到ACK報文，在租期達到87.5%時，會再次發(fā)送廣播的Request請求報文以請求續(xù)延租約。

DHCP ACK:DHCP服務器收到Request請求報文后，根據(jù)Request報文中攜帶的用戶MAC來查找有沒有相應的租約記錄，如果有則發(fā)送ACK應答報文，通知用戶可以使用分配的IP地址。

DHCP NAK:如果DHCP服務器收到Request請求報文后，沒有發(fā)現(xiàn)有相應的租約記錄或者由于某些原因無法正常分配IP地址，則向DHCP客戶端發(fā)送NAK應答報文，通知用戶無法分配合適的IP地址。

DHCP Release:當DHCP客戶端不再需要使用分配IP地址時，就會主動向DHCP服務器發(fā)送RELEASE請求報文，告知服務器用戶不再需要分配IP地址，請求DHCP服務器釋放對應的IP地址。

DHCP Decline:DHCP客戶端收到DHCP服務器ACK應答報文后，通過地址沖突檢測發(fā)現(xiàn)服務器分配的地址沖突或者由于其他原因導致不能使用，則會向DHCP服務器發(fā)送Decline請求報文，通知服務器所分配的IP地址不可用，以期獲得新的IP地址。

DHCP Inform:DHCP客戶端如果需要從DHCP服務器端獲取更為詳細的配置信息，則向DHCP服務器發(fā)送Inform請求報文；DHCP服務器在收到該報文后，將根據(jù)租約進行查找到相應的配置信息后，向DHCP客戶端發(fā)送ACK應答報文。目前基本上不用了。

DHCP報文格式

我們通過抓包看一下DHCP的報文:

1.Message type:Boot Request(1)當為1時表示是client的請求，為2時是server的應答

2.Hardware type是網(wǎng)絡硬件地址類型

3.Hardware address length表示網(wǎng)絡硬件地址長度(6Bytes表示是以太網(wǎng)類型的MAC地址)

4.HOPS表示跳數(shù)，是當前的DHCP報文經(jīng)過的DHCP RELAY的數(shù)目，每經(jīng)過一個DHCP中繼，此字段就會加1；當這個字段大于4時，DHCP報文直接丟棄。

5.Transaction id:事務ID，是DHCP請求報文時選擇的隨機數(shù)

6.Elapsed boot time描述，表示client開始DHCP請求后的時間流逝秒數(shù)

7.flags標志

8.Client self-assigned IP address:客戶機IP地址

9.Client IP address:分配給client的IP地址

10.Next Server IP address:服務器IP地址

11.Relay AgentDHCP:中繼代理IP地址

12.Client Hardware address客戶機硬件地址MAC

13.Client Hardware address padding:客戶機硬件MAC填充地址

14.Host Name:服務器的主機名

15.Boot File name:是client的啟動配置文件名

16.Magic cookie是服務器可以根據(jù)這個cookie直到該用戶是否需要重新登錄。

之后的字段會根據(jù)報文類型而有不同的改變:

17.DHCP Message Type:此字段表示DHCP報文類型

18.DHCP Server Identifier是DHCP Server的報文類型

19.Client identifier:客戶端報文類型

交互過程

通過觀察抓包順序可以知道是，客戶端首先從68端口發(fā)出廣播(UDP報文)即discover報文尋找DHCP服務器，請求租用IP地址。該廣播包中的源IP地址為0.0.0.0，目標IP地址由于是廣播所以為255.255.255.255，報文中還包含客戶機的MAC地址和計算機名。DHCP服務器會將67端口開啟，收到客戶端的discover報文后會回應一個offer報文，此報文的源IP地址為服務器的IP，目標IP地址為255.255.255.255，數(shù)據(jù)報中還包含著提供的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關、DNS及租期等信息。

然后客戶端就會廣播一個request報文，表示自己已經(jīng)接受了一個DHCP服務器提供的IP地址，廣播包中包含所接受的IP地址和服務器的IP地址。服務器在接收到request廣播后，會廣播返回給客戶機一個ACK消息包，表示已經(jīng)接受了客戶機的選擇，并將這一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入該廣播包發(fā)給客戶。此客戶此時就已經(jīng)獲得一個可用的IP地址。整體流程如下圖:

代碼設計

首先工程的結構如下:

---dhcpserver
      |
      |--DHCPOptionEnum.h
      |--maker.h--parser.h
      |--stdafx.h
      |--Mystruct.h
      |
      |--DHCPserver.cpp

代碼是基于DHCP的原理、報文以及DavidAnson的DHCPLite0的代碼邏輯框架。下面將逐一分析一下代碼:

main函數(shù)

邏輯是首先獲取運行環(huán)境下的網(wǎng)絡設備所有網(wǎng)卡信息，然后以"鏈表"的形式存儲在PIP_ADAPTER_INFO結構體所聲明的 AdapterWalker對象中，然后將需要選擇的網(wǎng)卡信息作為輸入與bindInterfaceAddress進行綁定。以上都是初始化信息，主要是為了讓用戶選擇需要進行綁定的網(wǎng)絡設備。

然后m_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)與setsockopt(m_socket, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&optval, sizeof(bool))將套接字設置為UDP格式，同時通過setsockopt對套接字的功能進行設置，是套接字是符合我們想做為DHCP的廣播環(huán)境的。之后創(chuàng)建一個線程thread mThread(ClientListen, bindInterfaceAddress)用來模擬客戶端進行廣播消息的交互。

接下來就是服務端與客戶端的報文交互了，我們需要處理好的就是報文格式以及相應的判斷就行了。主要就是在客戶端發(fā)來報文后，服務端進行解析(parse)，解析完成后再回應一個報文，需要先制作(make)一個報文。通過這樣完成報文的交互。

ClientListen

這個函數(shù)是在新線程下用來模擬客戶端的，所以邏輯是與主函數(shù)相同的。由于是線程，可以模擬多個客戶。

GetIpFromTable

在這里利用了一個unordered_map的存儲方式，因為利用map存儲數(shù)據(jù)不論是插入還是查詢的速度都是非常快的。在這個結構里我們將已經(jīng)申請了IP地址的客戶放入這個結構中，如果有就返回信息；如果沒有這個客戶，則加入這個用戶的IP地址及信息。

MyStruct.h

在這里定義了DHCP報文格式的結構體

struct DHCP_PACKET {
	byte OP;
	byte HTYPE;
	byte HLEN;
	byte HOPS;
	UINT32 TRANSACTION_ID;
	UINT16 SECONDS;
	UINT16 FLAGS;
	byte ciaddr[4];
	byte yiaddr[4];
	byte siaddr[4];
	byte giaddr[4];
	byte chaddr[16];
	byte sname[64];
	byte file[128];
	UINT32 magicCode;
	byte Options[308];
};

同時定義了Packet_Information的結構體:

struct Packet_Information {
	char HostName[256];
	USHORT BootFileSize;
	char MeritDumpFile[256];
	byte DHCPMessageType;
	int IPLeaseTime;          // client
	byte ServerIdentifier[4]; // client
	byte ClientIdentifier[4];
	byte ParameterRequestList[256];
	byte VendorClassIdentifier[256];
	byte RequestedIPAddress[4];
	byte Unsupport[256];
	bool OptionToReplay[256];
};

parser.h與maker.h

這里直接調(diào)用了解析與封包的相關函數(shù)，主要是對IP地址、端口以及相應數(shù)據(jù)報格式字段信息的轉換，判斷與賦值。

DHCPOptionEnum.h

這個頭文件定義了DHCP Option的所有情況，利用enum結構進行存儲；在主函數(shù)中調(diào)用時就可以通過數(shù)字進行表示與區(qū)分。

結果

項目請見:Github

總結

以上是生活随笔為你收集整理的DHCP服务器的设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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