【Windows Server 2019】DHCP服务器配置与管理——理论 Ⅰ

1. DHCP 理论

1.1 DHCP的定义和作用

DHCP 是 Dynamic Host Configuration Protocol （动态主机配置协议）的缩写 。

动态主机配置协议 (DHCP) 是一种客户端/服务器协议，它自动提供 Internet 协议 (IP) 主机及其 IP 地址和其他相关配置信息，例如子网掩码和默认网关。 RFC 2131 和 2132 将 DHCP 定义为基于 Bootstrap 协议 (BOOTP) 的 Internet 工程任务组 (IETF) 标准，此协议与 DHCP 共享许多实现详细信息。 DHCP 允许主机从 DHCP 服务器获取所需的 TCP/IP 配置信息。

Windows Server 2019 DHCP 服务器，这是一个可选的网络服务器角色，可以部署该角色以将 IP 地址和其他信息租用到 DHCP 客户端。 所有Windows客户端操作系统都包括作为 TCP/IP 一部分的 DHCP 客户端，并且 DHCP 客户端默认已启用。

DHCP通常在局域网（LAN）环境中使用。它的主要作用是：对IP地址进行集中管理和分配，使网络环境中的主机动态的获得IP地址、网关地址、DNS服务器地址等信息，并提升IP地址的使用率。

1.2 使用DHCP的原因

（1）从用户角度看

IP地址是每个网络节点的标识，网络中每一台计算机都需要配置IP地址才能接通互联网。但是绝大多数用户都不精通IP地址的设置，让用户自行分配地址，不但会降低用户体验，而且，从用户的技术能力上看，也是行不通的。

（2）从技术角度看

通过动态主机配置协议（DHCP）服务，网络中的设备可以从DHCP服务器中获取IP地址等相关信息。

与手工配置IP地址相比较，以下是DHCP的优点

• 配置不容易出错。手工配置IP地址、子网掩码、网关和DNS等地址参数的过程中有操作失误的风险。
• 对IP地址分配有较好的灵活性。网络拓扑发生变化时，手动配置的IP地址等信息可能发生变化，人工修改各项参数效率低。
• 对IP地址资源利用率高。人工配置IP地址，容易发生记忆错误。
• 配置工作量小。如果有大量主机存在且需要大量IP地址，那么人工配置的工作量可想而知。配置工作量会随着主机数量的增加而增大。

总而言之，DHCP对IP地址的配置、利用都做出了较好的优化。大大提高了配置效率，和IP地址利用率和使用效率。

备注：在网络范围内可能存在多个DHCP服务器，各自负责不同的网段，也可能由同一个DHCP服务器，负责多个不同网段的地址分配。

1.3 DHCP工作过程及原理

（1）DHCP工作过程

DHCP采用客户端/服务器通信模式，即C/S。需要客户端主动向服务器提出请求分配网络配置参数的申请，然后服务器返回给客户端分配的IP地址配置信息。

在DHCP经典应用中，一般包含一台DHCP服务器和多台客户端。

DHCP协议采用UDP作为传输协议，客户端发送广播消息到服务器的68号端口，服务器回应广播消息给客户端的67号端口。

DHCP客户端 从 DHCP服务器获取IP地址，主要通过四个阶段进行：分别是DISCOVER（发现）、OFFER（提供）、REQUEST（选择/请求）和ACK（确认）。

（2）DHCP工作原理

• 第一阶段：discover阶段（发现阶段），客户端在LAN中以广播方式发送DISCOVER报文。当广播报文DISCOVER被DHCP服务器接受到后，进入第二阶段offer阶段。
• 第二阶段：offer阶段（提供阶段），DHCP服务器收到DISCOVER报文后，会根据IP地址分配的优先次序选出一个地址，与其他参数一起被封装到名为offer的报文中。然后DHCP服务器再次以广播方式将offer报文发送给客户端。

备注 ：如果LAN中有多台DHCP服务器，所有服务器都会向客户端发送OFFER报文，这时候服务器只是提供了一个分配建议，IP地址并没有分配给客户端。

• 第三阶段：request阶段（选择阶段），客户端收到OFFER报文后，以广播方式发送REQUEST报文，这个报文的选项字段中会加入被选中的DHCP服务器的IP地址和客户端需要的IP地址。

备注：客户端采用先到先得的机制，根据第一个收到的OFFER报文返回REQUEST报文。其他DHCP服务器在这次没有成功分配出的IP地址，可以分配其他客户端，不会被占用。

• 第四阶段：ack阶段（确认阶段），DHCP服务器确认IP地址分配。DHCP服务器收到客户端发送的REQUEST报文后，被客户端选择的服务器会返回ACK报文，确认将地址分配给该客户端。如果收到了错误的REQUEST报文，服务器会返回NAK报文，表明地址不能分配给该客户端。而没有被客户端选择的DHCP服务器，不会进行任何响应。在客户端收到服务器返回的ACK确认报文后，会以广播方式发送免费ARP报文，探测是否有其他客户端正在使用服务器分配的IP地址，如果在规定时间内没有收到响应，客户端才使用这个地址。否则，客户端会发送DECLINE报文给DHCP服务器，表示服务器分配的地址已经被占用，并重新申请IP地址。

四个阶段完成之后，客户端才真正分配到了IP地址。

（3）租约更新

在Windows服务器中DHCP服务动态分配的IP地址是有使用期限的，这个期限叫做租期，默认为8天。

客户端在成功获取IP地址后，可以通过发送Release报文释放自己的IP地址，服务器收到Release报文后，会回收相应的IP地址并重新分配。

在租期使用到50%时，DHCP客户端会向DHCP服务器发送单播报文request来续租IP地址，如果DHCP客户端成功收到了服务器发送的ACK报文，会按对应的时长，延长IP地址租期。否则，客户端还是会继续使用该地址，但是在使用租期超过87.5%的时候，客户端会以广播形式向服务器发送request报文来续租IP地址。此时，如果客户端成功收到ACK报文，会按对应的时长，延长IP地址租期，否则，客户端仍然会继续使用该地址，知道IP地址租期到达100%，才会向服务器发送Release报文来释放这个IP地址。并开始新的IP地址申请过程。

参考资料

Microsoft Docs：DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Basics

Microsoft Docs：Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

Microsoft Docs：How To Install and Configure a DHCP Server in a Workgroup