网络工程师：让IP更容易得到

我们从开始到现在，用了十一篇小文章讨论和解决了网络中的基本通信问题。以后的主要任务，是对网络进行优化：比如让网络在速度、性能、健壮、安全等多方面进行提升，比如可以更容易上网，比如让网管人员工作更轻松，等等。当然，还可以根据需要，给网络增加新的功能。

第一个要优化的，就是IP地址！

IP地址？这还能怎么优化？

IP地址标识了你在网络中是谁，别人找你或者你找别人都会用到它。可是，在电脑上配置IP地址可不是件容易的事，需要你了解IP地址、掩码、网关等知识。可是咱不能因为不懂这些就不能上网呀，所以得有个解决办法。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）就是一个能让电脑获得IP地址的协议。

DHCP是一个应用层协议，分为服务端和客户端，基于UDP传输，端口号服务端使用67，客户端使用68。需要IP地址的电脑都可以叫客户端。当电脑开机后，可以自动从服务端获取所需的IP地址、掩码、网关等信息，完全不需要我们参与。

我们来讨论下DHCP都干了啥。

客户端电脑开机后，会自动产生一个叫DHCP Discover的报文，写入自己的MAC地址，然后交给传输层UDP封装，源端口号填写68，目的端口号填写67，向下交给网络层IP。IP封装时，源IP地址填写0.0.0.0（客户电脑还没有IP地址），目的IP地址填写255.255.255.255（客户端没有IP地址，并不知道自己在哪个网段，所以无法使用网段广播地址。当然更不知道DHCP服务器在哪，所以只能封装一个全网广播地址），协议号填写17（表示是UDP给下来的。TCP的还记得不？），向下交给链路层以太网，以太网封装时填写源MAC地址为客户端电脑的MAC，目的MAC填写FFFF-FFFF-FFFF广播地址，Type填写0x0800。封装完成后发送出去。

服务端收到后，记录Discover报文中的MAC地址，产生一个DHCP Offer报文，把准备分配给客户端的IP地址、掩码、网关、租期、客户端MAC等信息写在报文中，交给UDP。UDP封装源端口号67，目的端口号68，交给IP。IP封装源地址为DHCP服务器地址，目的地址为255.255.255.255，协议号17，交给以太网。以太网封装源MAC为服务器MAC地址，目的地址为FFFF-FFFF-FFFF广播地址，Type为0x0800。封装完成后发送出去。

客户端收到Offer报文后，检查里面的MAC如果是自己的，会封装一个Request报文发出去。为什么要发这个Request呢？Offer报文里IP信息都有了，客户端干嘛不直接用，还要Request请求一下呢？

这是因为，网络中可能存在多台DHCP服务器，每台服务器收到Discover后，都会预留一个预分配地址并写进Offer发出去，客户端可能会收到多份Offer。所以，客户端发出Request的目的就是做一个选择，只能要一个DHCP服务器分配的地址，并把选择的DHCP服务器的IP地址写在Request中，其他服务器收到Request后，发现没有选择自己，就会把刚才准备分配的IP地址释放掉。

客户端一般选择收到的第一个Offer。

Request的IP封装中，源地址为什么不使用服务器在Offer中分配的地址，还是使用0.0.0.0呢？

主要原因是现在还不知道有没有其他人在使用这个地址。如果网络中的地址全是由同一台DHCP服务器分配的，不会出现地址冲突。但更多情况下，有很多设备的IP地址是手工填写的，而这些手工填写的IP地址，DHCP服务器并不知情。

服务器收到Request报文后，看看里面的MAC地址之前有没有记录过，如果有，则把客户端MAC写进DHCP ACK报文，封装后发出去。ACK报文内容和封装与Offer报文基本相同。如果没有，则把这个Request报文中携带的客户端MAC封装进一个NAK消息中发出，通知这个客户端无法给它分配地址（意思是服务器没有收到这个客户端的Discover，直接收到了它的Request。如果收到Discover肯定有记录）。客户端收到NAK后会重新发出Discover申请地址。

客户端收到ACK报文后，封装一个免费ARP报文，Sender IP和Target IP都填写为服务器分配的IP地址（在服务器发的Offer和ACK报文中都有）发出去，检查此地址是否可用。如果收到ARP Reply回复，则表示此地址已被使用，客户端则封装一个DHCP Decline报文发给服务器，告诉服务器禁用这个地址，然后发出Discover重新开始地址申请。若客户端没有收到ARP Reply，表示此地址可用，开始使用这个地址并开始计算租期。

我们可以发现，客户端在申请地址过程中，需要与服务器进行多次通信，双方每次通信基本靠“吼”（广播），如果客户端数量较多，就要考虑大量报文在传输中别出岔子。把客户端MAC地址写进每个报文中是最好的办法。不然服务器说这个Discover谁发的呀，客户端说这个Offer是给谁分配的地址呀，如果大家都用第一个Offer，地址不就冲突了嘛。

客户端在使用地址期间，随时可以通过DHCP Release报文释放此地址。服务器收到Release报文后，收回该地址重新参与分配。

客户端使用地址的时间到达租期的50%时，会封装DHCP Request报文发出（对，还是Request，只是这个Request封装的源IP是客户端正在使用的IP地址，目的IP是DHCP服务器的IP地址，两人单播联系，小声耳语，别人听不到），服务器收到后，回复DHCP ACK报文。如果客户端收到这个ACK报文，则重新计算租期，否则继续使用这个地址。

当客户端使用地址的时间到达租期的87.5%时，再次封装DHCP Request报文发出（这个Request跟50%那次有点不同，目的地址不是DHCP服务器的IP地址而是255.255.255.255广播地址。因为上次单播时服务器没有理我，没办法只好再次使出“狮吼功”），服务器收到后，回复DHCP ACK报文。如果客户端收到ACK，重新计算租期，否则依然继续使用这个地址。

当客户端使用地址的时间到达租期，则封装DHCP Release释放此地址，重新开始新的地址申请过程（“吼”了也没人理我，算了这个地址我不要了，重新申请去）。

我们举个栗子：假如地址租期为24小时（一般默认是这个时间）。客户端使用地址12小时，小声单播发出DHCP Request报文，如果收到服务器的ACK报文，则重新计时。否则继续使用但不重新计时。使用到21小时，大声吼出Request报文，如果收到ACK，租期重新计算，否则继续使用但不重新计时。使用到24小时，客户端发出Release释放这个地址不要了，重新发Discover申请地址。

我们发现，虽然UDP协议不可靠，但DHCP已有应对办法。关键是，因为客户端没有IP地址，根本无法使用TCP去建立连接。所以，UDP协议在很多场合下非常有用，并没有因为它不可靠而显得不堪。通常，应用程序使用UDP作传输协议时，都已经解决了它不可靠的问题。

思考：地址申请过程中的Discover、Offer、Request和ACK都被IP和以太网封装成了广播，那么，如果服务器和客户端不在同一个网段怎么办？