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第 14 章

第 14 章. DHCP. 本章提要. DHCP 基礎 DHCP 運作流程 DHCP 封包格式 擷取 DHCP 封包. DHCP 基礎. 在 TCP/IP 的網路中 , 每一台電腦都必須有一個 IP 位址 , 而且這個 IP 位址必須是唯一的 , 不可和網路中其它電腦重複！ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol, 動態主機設定協定 ) 的出現 , 可以確保每台電腦 IP 位址的唯一性。

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第 14 章

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  1. 第 14 章 DHCP

  2. 本章提要 • DHCP 基礎 • DHCP 運作流程 • DHCP 封包格式 • 擷取 DHCP 封包

  3. DHCP 基礎 • 在 TCP/IP 的網路中, 每一台電腦都必須有一個 IP 位址, 而且這個 IP 位址必須是唯一的, 不可和網路中其它電腦重複！ • DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol, 動態主機設定協定) 的出現, 可以確保每台電腦 IP 位址的唯一性。 • DHCP 可以動態的分配 IP 位址給每台網路上的電腦, 而且也能指定 TCP/IP 的其它參數, 大幅減少網路管理員的負擔。

  4. DHCP 原理 • 當 DHCP 用戶端開機時, 會透過廣播方式尋找 DHCP 伺服器並要求指派 IP 位址, 這時伺服器就會傳回一個尚未被使用的 IP 位址, 同時也可以將相關參數一併傳送給用戶端。

  5. DHCP 原理 • 當 DHCP 用戶端獲得一個 IP 位址時, 並不能永久使用 (除非 DHCP 伺服器有特別設定)。 • 在正常的情況下, 每個分配給 DHCP 用戶端的 IP 位址都有使用期限, 這個期限就是 IP 位址的租約期限 (Lease Time)。租約期限長短是依各家的 DHCP 伺服器而異。

  6. 採用 DHCP 服務的優點 • 不易出錯 • 易於維護 • 用戶端不需要繁瑣的設定 • IP 位址可重複使用

  7. 不易出錯 • 因為 DHCP 伺服器每出租一個 IP 位址時, 都會在資料庫中建立一筆相對應的租用資料, 因此幾乎不可能發生 IP 重複租用的狀況。而且這個出租、登記作業, 不需要人力介入, 更可以避免人為的錯誤 (例如：輸入錯誤)。

  8. 易於維護 • DHCP 不但可以自動分配 IP 位址, 而且還可以指定各項 TCP/IP 參數 (例如：DNS 伺服器、WINS 伺服器的 IP 位址), 因此, 當我們要變更相關的參數時, 只要從DHCP 伺服器上修改, 就可以讓所有DHCP 用戶端都自動更新, 大幅節省維護成本。

  9. 用戶端不需要繁瑣的設定 • 只要 DHCP 伺服器設定妥當, 用戶端只需設定為使用 DHCP 分配 IP 位址, 即可完成 TCP/IP 的設定, 快速又方便。

  10. IP 位址可重複使用 • 每當 DHCP 用戶端開機時, DHCP 伺服器便會分配 1 個 IP 位址給予使用, 當用戶端租約到期或取消租約後, 伺服器又可以將此 IP 位址分配給其他的 DHCP 用戶端使用, 能有效的節省 IP 位址的數量。

  11. DHCP 運作流程

  12. DHCP 運作流程

  13. DHCP 運作流程的 4 個步驟 1. 要求租用 IP 位址 • 當我們將電腦設定成 DHCP 用戶端後, 第一次啟動電腦時即會進入此階段。 • 首先由 DHCP 用戶端廣播一個 DHCP Discover (尋找) 封包, 要求任一部 DHCP 伺服器提供 IP 租約。

  14. DHCP 運作流程的 4 個步驟 2.提供可租用的 IP 位址 • 因為 DHCP Discover 是以廣播方式送出, 所以網路上所有的 DHCP 伺服器都會收到此封包, 而每一台 DHCP 伺服器收到此封包時, 都會從本身的領域中, 找出一個可用的 IP 位址, 設定租約期限後記錄在 DHCP Offer (提議) 封包, 再以廣播方式送給用戶端。

  15. DHCP 運作流程的 4 個步驟 3.確認 IP 租約 • 因為每一台 DHCP 伺服器都會送出 DHCP Offer 封包, 因此 DHCP 用戶端會收到多個DHCP Offer 封包, 用戶端預設會接受最先收到的 DHCP Offer 封包, 其他陸續收到的DHCP Offer 封包則不予理會。 • 用戶端接著以廣播方式送出 DHCP Request (要求) 封包, 除了向選定的伺服器申請租用IP 位址之外, 也讓其他曾送出 DHCP Offer 封包、但未中選的伺服器知道落選了, 可以租用給其它的用戶端啦！

  16. DHCP 運作流程的 4 個步驟 • 不過, 如果 DHCP 用戶端不接受 DHCP 伺服器所提供的參數, 就會廣播一個 DHCP Decline (拒絕) 封包, 告知伺服器不接受所建議的 IP位址 (或租用期限…等)。然後回到第一階段, 再度廣播 DHCP Discover 封包, 重新執行整個取得租約的流程。 • 用戶端不同意最常見的原因是 IP 位址重複。因為用戶端收到伺服器建議的 IP 位址時, 通常會以 ARP 協定檢查該位址是否已被使用, 倘若已被佔用了相同的位址, 用戶端當然就要拒絕租用此 IP 位址。

  17. DHCP 運作流程的 4 個步驟 4.同意 IP 租約 • 當被選中的 DHCP 伺服器收到 DHCP Request 封包時, 假如同意用戶端的租用要求, 便會廣播 DHCP Ack (承認) 封包給 DHCP 用戶端, 告知可以將設定值寫入 TCP/IP 中, 並開始計算租用的時間。 • 倘若DHCP 伺服器不能給予 DHCP 用戶端所要求的資訊 (例如：要求租用的 IP 已被佔用, 或者不能給予用戶端所要求的租約期限等), 則會發出 DHCP Nack (拒絕承認) 封包。當用戶端收到 DHCP Nack 封包時, 便直接回到第一階段, 重新執行整個流程。

  18. 更新租約 • 取得 IP 租約後, DHCP 用戶端必須定期更新 (Renew) 租約, 否則當租約到期, 就不能再使用此 IP 位址。 • 依照 RFC 2131 的敘述, 每當租用時間超過租約期限的 1/2 (50%) 及 7/8 (87.5%) 時, 用戶端就必須發出 DHCP Request 封包, 向 DHCP 伺服器要求更新租約。 • 但是各家廠商在設計產品時, 未必採用 RFC 2131 的數據, 因此每種產品的更新租約期限可能不同。

  19. 更新租約 • 更新租約時是以單點傳送 (Unicast) 方式發出 DHCP Request 封包, 也就是會指名那一台 DHCP 伺服器應該要處理此封包, 和前面確認 IP 租約階段中, 使用廣播方式發送 DHCP Request 封包是不同的！ • 以 Windows 2000 DHCP 伺服器為例, 預設的租約期限為 8 天, 當租用時間超過 4 天時, DHCP 用戶端會向 DHCP 伺服器要求續約, 將租約期限再恢復為原本的期限 (也就是 8 天)。

  20. 更新租約 • 若不幸在重試 3 次之後, 依然無法取得 DHCP 伺服器的回應 (也就是無法和 DHCP 伺服器取得連繫), 則 DHCP 用戶端將會繼續使用此租約, 直到租用時間超過 7 天時, 會再度向 DHCP 伺服器要求續約, 若仍然無法取得續約的訊息 (一樣會重試 3 次), 則 DHCP用戶端改以廣播方式送出 DHCP Request 封包, 要求 DHCP 的服務。

  21. 手動更新租約 • 當然, 我們也可以在租約期限內, 手動更新租約。 • 在 Windows NT/2000/XP 中, 手動更新租約的方式是在命令提示字元模式下, 執行Ipconfig /renew 命令即可進行更新。

  22. 撤消租約 • 以 Windows 2000/XP 為例, 除了在重新啟動、關機均會送出 DHCPRelease 封包, 撤消租約外。 • 在命令提示字元輸入 "IPCONFIG/ RELEASE"、按 鍵, 也會送出 DHCP Release 封包撤消租約。

  23. 撤消租約 • 但如果 Windows XP 安裝了多張網路卡, 當直接執行 Ipconfig / release命令時, 預設是會撤消所有網路卡的 IP 租約。 • 若只想要撤消特定網路卡的 IP 租約, 則請執行 Ipconfig / release 連線名稱命令。 • 連線名稱指的是我們在網路連線視窗中看到的連線名稱, 例如：區域連線、區域連線 2 等名稱。

  24. DHCP 封包格式 • DHCP 封包在傳訊層 (Transport Layer) 是採用 UDP 協定, 而當用戶端傳送給封包給伺服器時, 採用的是 UDP 67 Port, 從伺服器傳送給用戶端則是使用 UDP 68 Port。

  25. DHCP 封包格式

  26. DHCP 封包格式

  27. 封包欄位說明 • Op Code (Op) • 若為 1, 表示這個封包是從用戶端送出的, 若為 2, 表示此封包是由伺服器所送出的。 • Hardware Type (Htype) • 表示網路類型, 例如：1 表示 Ethernet, 7 代表ARCNET。其它代碼請參閱 RFC 1700 關於ARP 的部分。 • Hardware Address Length (Hlen) • MAC 位址的長度, 以 Byte 為單位, 以Ethernet 來說, 其欄位值為 6。

  28. 封包欄位說明 • Hops (Hops) • 當 DHCP 用戶端將封包送出時, 會將此欄位值設為 0。而 Relay Agent 要轉送封包到 DHCP 伺服器時, 則將此值加 1。 • Transaction ID (Xid) • 當用戶端傳送封包時, 會隨機分配一組數字置於此欄位中。伺服器收到封包並回覆時, 會將此欄位值原封不動的寫在回覆封包裡, 而用戶端就是借由此組數字分辨伺服器所回應的是那一個封包。

  29. Relay Agent 的運作情形

  30. 封包欄位說明 • Client IP Address (Ciaddr) • 目前用戶端所使用的 IP 位址。 • Your IP Address (Yiaddr) • 伺服器傳送 DHCPOffer、DHCPAck 封包時, 會將欲分配給用戶端的 IP 位址填入此欄位。

  31. 封包欄位說明 • Server IP Address (Siaddr) • 當伺服器回應 DHCPDiscover 封包時, 會將自己的 IP 位址填入此欄位, 讓用戶端可以在稍後的 Request 封包中, 將此 IP 位址填入 Option Field 中的 Server Identifier欄位。 • Relay IP Address (Giaddr) • 若伺服器和用戶端需透過 Relay Agent 交換封包時, Relay Agent 會在此欄位填入自己的IP 位址。

  32. 封包欄位說明 • Client Ethernet Address (Chaddr) • 此欄位值為用戶端的 MAC Address。 • Server Host Name (Sname) • 此欄位存放的是 DHCP 伺服器的名稱, 但Windows 2000 不使用此欄。

  33. 封包欄位說明 • Boot File Name (File) • 這是當用戶端為 Diskless Workstation (無磁碟工作站) 時才會用到的欄位。 • 此欄位由伺服器提供, 填入用戶端開機所需要的檔案名稱, 讓用戶端利用檔案傳輸工具下載此檔案, 並藉以完成開機程序。 • Option Field (Options) • 租約期限等重要資訊, 都是放在這個欄位中。

  34. Option Field (非必要性欄位) • Option Field 不是單指一個欄位, 而是代表一組欄位。這組欄位由許多欄位組成, 它們有個共同特性－非必要性。 • 換言之, 不是每個 DHCP 封包都會有完整的整組欄位, 大部份只是有其中的部份欄位。例如：DHCPDiscover 封包和DHCPAck 封包均有 IP Address Lease Time欄位, 但其它封包則沒有該欄位。

  35. Option Field (非必要性欄位)

  36. Option Field (非必要性欄位)

  37. Option Field 欄位說明 • Requested Address • 用戶端希望伺服器能分配某一特定 IP 位址或是要更新 IP 租約時, 會在此欄位填入 IP 位址。通常這個欄位會在回覆 DHCPOffer 封包的 DHCPRequest 封包, 及重開機時發出的 DHCPRequest 封包中出現。

  38. Option Field 欄位說明 • IP Address Lease Time (含 T1、T2) • 這是由 3 個欄位所組成：IP Address Lease Time、Renewal Time Value (T1)、Rebinding Time Value (T2)。 • 這 3 個欄位分別代表：租約期限、更新租約時間 (T1, 預設是租約期限的 1/2) 、最後更新時間 (T2, 預設是租約期限的 7/8)。

  39. Option Field 欄位說明 • Option Overload • 當 Option 欄位的資料過多, 超過規定的最大長度時 (312 Bytes), 可以利用此欄位去設定借用 Sname和 File這兩個欄位。 • 欄位值為 1 時, 表示借用 File 欄, 欄位值為 2 時, 表示借用 Sname 欄, 若為 3, 表示兩個欄位都借來使用。

  40. Option Field 欄位說明 • DHCP Message Type • 此欄位值表示目前所使用的是那一種封包類型, 欄位值與封包類型的對照表：

  41. Option Field 欄位說明 • Parameter Request List • 用戶端可以用此欄位要求伺服器提供所需要的參數, 例如要求 DNS 伺服器的 IP 位址等。 • Message • 用來告知對方額外的訊息, 通常是錯誤訊息。

  42. Option Field 欄位說明 • Server Identifier • 伺服器的 IP 位址, 當用戶端還未取得 IP 租約時, 所有的封包都是採用廣播方式傳送, 所以需要此欄位來辨視那一台 DHCP 伺服器才是要配合的伺服器。 • Client Identifier • 用戶端的 MAC 位址, 讓伺服器知道是那一台用戶端發出租用 IP 位址的要求。

  43. Option Field 欄位說明 • Maximum Message Size • 用戶端告知伺服器自己可以接受的封包長度, 通常是伺服器和用戶端分別位在異質的網路, 才會使用到此欄位。

  44. Option Field (非必要性欄位) • 在 DHCP 運作時, 還有一種封包型態－DHCPInform。這種封包通常用在當用戶端已經有 IP 位址 (通常是手動設定了一個IP 位址), 但是其他相關的參數卻必須使用 DHCP 分派 (例如：DNS 伺服器的IP 位址、預設閘道的 IP位址等資訊), 這時候用戶端便會利用 DHCPInform 封包告知伺服器它所需要的參數, 而伺服器便會回應 DHCPAck 或 DHCPNack 的封包, 回覆或拒絕用戶端的要求。

  45. 擷取 DHCP 封包 • 本節以 PCI (久森科技) 的 BRL-04FW 頻寬分享器擔任 DHCP 伺服器, IP 位址為192.168.1.1；以 Windows XP 為 DHCP 用戶端, 擷取 DHCP 運作流程中的封包。

  46. 首次租用 IP 位址

  47. 首次租用 IP 位址 • 完整的 4 個步驟包含這 4 種封包。 • 在 4 個步驟裡都是發送廣播封包。 • 這 4 個封包都是針對用戶端的同一次要求, 所以 Transaction ID 都一樣。 • 1 代表此封包是由用戶端發出的要求封包。 • 所處的網路環境為乙太網路。 • 因為是乙太網路, 所以 MAC 位址的長度為 6 Bytes。

  48. 首次租用 IP 位址 • 目前用戶端尚無 IP 位址, 所以為 0。 • 用戶端的 MAC 位址。 • 此封包為 DHCPDiscover 封包。 • MSFT 5.0 代表用戶端為 Windows 2000/XP；若為 MSFT 98 則表示用戶端為Windows 98/Me。

  49. 首次租用 IP 位址

  50. 首次租用 IP 位址 • 2 代表此封包是由 DHCP 伺服器發出的回覆封包。 • 目前用戶端尚無 IP 位址, 所以為 0。 • DHCP 伺服器提供給用戶端租用的 IP 位址。 • DHCP 伺服器自己的 IP 位址。 • 此封包為 DHCPOffer 封包。 • 租約期限為 2 天 2 小時

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