重学计算机网络(三) - DHCP & IP的"孽缘"

1 配置IP地址

可以使用ifconfig,也可以使用ip addr。设置好了以后,用这两个命令,将网卡up一下,就可以开始工作了。

1.1 net-tools

$ sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24
$ sudo ifconfig eth1 up

1.2 iproute2

$ sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1
$ sudo ip link set up eth1

如果配置的是一个和谁都不搭嘎的地址呢?

例如,旁边的机器都是192.168.1.x,我非得配置一个16.158.23.6,会出现什么现象呢?

不会出现任何现象,就是包发不出去呗

为什么发不出去呢?

192.168.1.6 就在你这台机器的旁边,甚至在同一交换机,而你把机器的地址设为 16.158.23.6

在这台机器上,你企图去ping 192.168.1.6,觉得只要将包发出去,同一个交换机的另一台机器马上就能收到,是嘛?

可Linux不是这样的,没你想得那么智能

你用肉眼看到那台机器就在旁边,它则需要根据自己的逻辑处理

只要是在网络上跑的包,都是完整的,可以有下层没上层,绝对不可能有上层没下层

所以,它有自己的源IP地址 16.158.23.6,也有目标IP地址 192.168.1.6,但包发不出去,这是因为MAC层还没填

自己的MAC地址自己知道,但目标MAC填啥呢?

是不是填 192.168.1.6 机器的MAC地址呢?

当然不是!

Linux会判断要去的这个地址和我是一个网段吗,或者和我的一个网卡是同一网段吗?

只有是一个网段的,它才会发送ARP请求,获取MAC地址

如果发现不是呢?

Linux默认的逻辑,如果这是一个跨网段的调用,它不会直接将包发送到网络上,而是将包发送到网关

如果配置了网关,Linux会获取网关的MAC地址,然后将包发出去

对于 192.168.1.6 机器,虽然路过家门的这个包,目标IP是它,但是无奈MAC地址不是它的,所以它的网卡是不会把包收进去的

如果没有配置网关呢

那包压根就发不出去

如果将网关配置为 192.168.1.6 呢?

不可能,Linux不会让你配置成功

因为 网关要和当前的网络至少一个网卡是同一个网段

怎能允你16.158.23.6的网关是192.168.1.6呢?

所以,当你需要手动配置一台机器的网络IP时,一定要好好问问你的网管

如果在机房里面,要去网管那申请,让他给你分配一段正确的IP地址

当然,真正配置的时候,一定不是直接用命令配置的,而是放在一个配置文件里面

不同系统的配置文件格式不同,但是无非就是CIDR、子网掩码、广播地址和网关地址

2 DHCP - 动态主机配置协议

配置IP后一般不能变,配置一个服务端的机器还可以,但如果是客户端的机器呢?

我抱着一台笔记本电脑在公司里走来走去,或者白天来晚上走,每次使用都要配置IP地址,那可怎么办?还有人事、行政等非技术人员,如果公司所有的电脑都需要IT人员配置,肯定忙不过来啊。

需要有一个自动配置的协议,即动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol),简称DHCP

那网管就轻松多了。只需要配置一段共享的IP地址

每一台新接入的机器都通过DHCP协议,来这个共享的IP地址里申请,然后自动配置好就可

等用完了,还回去,这样其他的机器也能用。

**数据中心里面的服务器,IP一旦配置好,基本不会变

这就相当于买房自己装修。DHCP的方式就相当于租房。你不用装修,都是帮你配置好的。你暂时用一下,用完退租就可以了。**

3 DHCP的工作方式

当一台机器新加入一个网络的时候,肯定啥情况都不知道,只知道自己的MAC地址

怎么办?先吼一句,我来啦,有人吗?这时候的沟通基本靠“吼”

这一步,我们称为DHCP Discover。

新来的机器使用IP地址 0.0.0.0 发送了一个广播包,目的IP地址为 255.255.255.255

广播包封装了UDP,UDP封装了BOOTP

其实DHCP是BOOTP的增强版,但是如果去抓包的话,很可能看到的名称还是BOOTP协议

在广播包里,新人大喊:我是新来的(Boot request),我的MAC地址是这个,我还没有IP,谁能给租给我个IP地址!

  • 格式就像

如果一个网管在网络里面配置了DHCP Server,他就相当于这些IP的管理员

立刻能知道来了一个“新人”

这个时候,我们可以体会MAC地址唯一的重要性了

当一台机器带着自己的MAC地址加入一个网络的时候,MAC是它唯一的身份,如果连这个都重复了,就没办法配置了。

只有MAC唯一,IP管理员才能知道这是一个新人,需要租给它一个IP地址,这个过程我们称为DHCP Offer

同时,DHCP Server为此客户保留为它提供的IP地址,从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。

DHCP Offer的格式就像这样,里面有给新人分配的地址。

DHCP Server 仍然使用广播地址作为目的地址

因为,此时请求分配IP的新人还没有自己的IP

DHCP Server回复说,我分配一个可用的IP给你,你看如何?

除此之外,服务器还发送了子网掩码、网关和IP地址租用期等信息。

新来的机器很开心,它的“吼”得到了回复,并且有人愿意租给它一个IP地址了,这意味着它可以在网络上立足了

当然更令人开心的是,如果有多个DHCP Server,这台新机器会收到多个IP地址,简直受宠若惊!!!

它会选择其中一个DHCP Offer,一般是最先到达的那个,并且会向网络发送一个DHCP Request广播数据包,包中包含客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器地址等,并告诉所有DHCP Server它将接受哪一台服务器提供的IP地址,告诉其他DHCP服务器,谢谢你们的接纳,并请求撤销它们提供的IP地址,以便提供给下一个IP租用请求者

还没得到DHCP Server的最后确认,客户端仍然使用0.0.0.0为源IP地址、255.255.255.255为目标地址进行广播

在BOOTP里面,接受某个DHCP Server的分配的IP。

当DHCP Server接收到客户机的DHCP request之后,会广播返回给客户机一个DHCP ACK消息包,表明已经接受客户机的选择,并将这一IP地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入该广播包,发给客户机,欢迎它加入网络大家庭

最终租约达成的时候,还是需要广播一下,让大家都知道。

IP地址的收回和续租

既然是租房子,就是有租期的。租期到了,管理员就要将IP收回。

如果不用的话,收回就收回了。就像你租房子一样,如果还要续租的话,不能到了时间再续租,而是要提前一段时间给房东说

DHCP也是这样

客户机会在租期过去50%的时候,直接向为其提供IP地址的DHCP Server发送DHCP request消息包

客户机接收到该服务器回应的DHCP ACK消息包,会根据包中所提供的新的租期以及其他已经更新的TCP/IP参数,更新自己的配置

这样,IP租用更新就完成了。

网络管理员不仅能自动分配IP地址,还能帮你自动安装操作系统!

预启动执行环境(PXE)

数据中心里面的管理员可能一下子就拿到几百台空的机器,一个个安装操作系统,会累死的。

所以管理员希望的不仅仅是自动分配IP地址,还要自动安装系统。装好系统之后自动分配IP地址,直接启动就能用了

安装操作系统,应该有个光盘吧。数据中心里不能用光盘吧,想了一个办法就是,可以将光盘里面要安装的操作系统放在一个服务器上,让客户端去下载

但是客户端放在哪里呢?它怎么知道去哪个服务器上下载呢?客户端总得安装在一个操作系统上呀,可是这个客户端本来就是用来安装操作系统的呀?

其实,这个过程和操作系统启动的过程有点儿像。

  • 首先,启动BIOS,读取硬盘的MBR启动扇区,将GRUB启动起来
  • 然后将权力交给GRUB,GRUB加载内核、加载作为根文件系统的initramfs文件
  • 再将权力交给内核
  • 最后内核启动,初始化整个操作系统。

安装操作系统的过程,只能插在BIOS启动之后了

因为没安装系统之前,连启动扇区都没有。因而这个过程叫做预启动执行环境 (Pre-boot Execution Environment),PXE

PXE协议分为客户端和服务器端,由于还没有操作系统,只能先把客户端放在BIOS里面

当计算机启动时,BIOS把PXE客户端调入内存里面,就可以连接到服务端做一些操作了。

首先,PXE客户端自己也需要有个IP地址

因为PXE的客户端启动起来,就可以发送一个DHCP的请求,让DHCP Server给它分配一个地址。PXE客户端有了自己的地址,那它怎么知道PXE服务器在哪里呢?对于其他的协议,都好办,要么人告诉他

例如,告诉浏览器要访问的IP地址,或者在配置中告诉它;例如,微服务之间的相互调用。

但是PXE客户端启动的时候,啥都没有

好在DHCP Server除了分配IP地址以外,还可以做一些其他的事情。这里有一个DHCP Server的一个样例配置:

ddns-update-style interim;
ignore client-updates;
allow booting;
allow bootp;
subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0
{
	option routers 192.168.1.1;
	option subnet-mask 255.255.255.0;
	option time-offset -18000;
	default-lease-time 21600;
	max-lease-time 43200;
	range dynamic-bootp 192.168.1.240 192.168.1.250;
	filename "pxelinux.0";
	next-server 192.168.1.180;
}

按照上面的原理,默认的DHCP Server是需要配置的,无非是我们配置IP的时候所需要的IP地址段、子网掩码、网关地址、租期等

如果想使用PXE,则需要配置next-server,指向PXE服务器的地址,另外要配置初始启动文件filename

这样PXE客户端启动之后,发送DHCP请求之后,除了能得到一个IP地址,还可以知道PXE服务器在哪里,也可以知道如何从PXE服务器上下载某个文件,去初始化操作系统。

解析PXE的工作过程

启动PXE客户端

通过DHCP协议告诉DHCP Server,我,穷b,打钱!

DHCP Server便租给它一个IP地址,同时也给它PXE服务器的地址、启动文件pxelinux.0

初始化机器

PXE客户端知道要去PXE服务器下载这个文件后,就可以初始化机器

便开始下载(TFTP协议),还需要有一个TFTP服务器

PXE客户端向TFTP服务器请求下载这个文件,TFTP服务器说好啊,于是就将这个文件传给它

执行文件

然后,PXE客户端收到这个文件后,就开始执行这个文件

这个文件会指示PXE客户端,向TFTP服务器请求计算机的配置信息pxelinux.cfg

TFTP服务器会给PXE客户端一个配置文件,里面会说内核在哪里、initramfs在哪里。PXE客户端会请求这些文件。

启动Linux内核

一旦启动了操作系统,以后就啥都好办了

总结

DHCP协议主要是用来给客户租用IP地址,和房产中介很像,要商谈、签约、续租,广播还不能“抢单”;

DHCP协议能给客户推荐“装修队”PXE,能够安装操作系统,这个在云计算领域大有用处。

参考

  • 趣谈网络协议

原创声明,本文系作者授权云+社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

编辑于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券