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本文收录于专栏：《丘山子聊网络协议》。和大家一起聊聊网络协议那些事儿~
简单的 IP 地址配置原来也有这么多门道
一、从一个错误配置的例子入手
我们平时给计算机A配置IP时，如果附近的20台计算机IP是192.168.0.20-192.168.0.40。如果你给计算机A的IP设置为18.188.8.88，然后你再去测试计算机A与附近其他计算机的连通性，ping它们，你可能会发现，都ping不通啊。
为什么呢？
源IP地址和目的IP地址不是都明确了吗？源IP地址是18.188.8.88，目的IP地址是192.168.0.20-192.168.0.40中的一个。
因为之前我们说过：
要始终牢记一个原则：计算机网络中的任何一个数据包，像房子一样，必须打牢地基，一层一层建上去，不可能有高层没有低层。
网络层的下面还有数据链路层，需要知道计算机A的MAC地址以及目的主机的MAC地址。如果计算机A与附件这些计算机是同一个网段，那好办，不是有地址解析协议（ARP）吗？将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，就能获得目标IP地址对应主机的MAC地址。但是它们不是一个网段的，这种情况下，如果操作系统配置了网关地址，那么操作系统就会将数据包传给网关，否则，数据包就根本发不出去...
二、DHCP 动态主机配置协议
配置IP这么多道理，那么不会配置的计算机小白是不是就上不了网了啊？
其实，有一种自动配置IP地址的协议，叫做动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol） ，也就是我们熟知的DHCP。
除了IP地址，DHCP还可自动配置IP地址的子网掩码、该网络中可使用的DNS服务器的P地址、作为与外部网络的出入口的默认网关IP地址、 地址的租约期限（到期日期）等。 还可配置如时间同步服务器 （NTP 服务器） 的地址。
如上图，当一台计算机连接到网络时，它会向同一网络上的所有设备发送数据包，这称之为DHCP发现。如果存在DHCP服务器，DHCP 服务器使用单播来发送自己的回应报文，并为其分配IP地址等之前提到的信息。至于为什么申请IP地址的计算机还没有完成IP地址的配置，却能够接受单播报文，这给回答解说得比较好:DHCP offer 报文到底是单播还是广播？ - 车小胖的回答 - 知乎
但是，如果网络中存在多个DHCP服务器，那么计算机一般会选择最先到达的那个单播报文。
计算机确定好要选择的DHCP Offer单播报文之后，会告诉所有DHCP服务器你选择哪一台DHCP服务器分配的地址，让你没有选择的DHCP服务器收回分配给你的地址。
当DHCP服务器收到计算机的DHCP request 之后，会单播一个DHCP ACK 消息包。至此，IP地址分配完成。
DHCP消息格式 - NE40E V800R010C10SPC500 特性描述 - IP业务 01 - 华为 (huawei.com)
上图是DHCP报文的格式，笔者在此不详细说明了，上面华为的中文文档介绍得很详细。
至于IP地址到达租约期限或者你不用了，DHCP就会将IP地址收回并放入可分配的IP地址池子。
续租很简单，租期达到50%的时候，计算机以单播的方式往DHCP 服务器发送一个DHCP Request，告诉它，我地址快要到期了，需要续租。DHCP服务器会发送一个DHCP ACK告诉你续租成功。如果收到的是DHCP NAK报文，那么就得重新申请了新的IP地址了。如果租期达到87.5%时，仍未收到DHCP服务器的应答，那么就会广播DHCP Request。DHCP服务器会发送一个DHCP ACK告诉你续租成功。如果收到的是DHCP NAK报文，那么就得重新申请了新的IP地址了。
如果很不幸，租期时间到了，还是没有收到服务器的DHCP ACK报文或者DHCP NAK报文，那么客户端只能停用该IP地址，重新申请。
