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

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1. DHCP 理论

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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)。

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(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 DocsDHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Basics

Microsoft DocsDynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

Microsoft DocsHow To Install and Configure a DHCP Server in a Workgroup

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