2. 局域网内的IP分配

酒玖
47 阅读9分钟

DHCP

动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），简称 DHCP。其主要功能是自动为接入局域网内的设备分配IP地址等关键配置参数，实现了“即插即用”的网络接入。

1. DHCP DISCOVER（发现阶段）

场景：客户端刚接入网络或租约到期，需要获取IP配置。

客户端状态：

  • IP地址：0.0.0.0
  • 配置：无任何网络参数

报文详细信息：

传输层：
  源端口：68 (DHCP客户端标准端口)
  目标端口：67 (DHCP服务器标准端口)
网络层：
  源IP地址：0.0.0.0 (客户端尚无IP)
  目标IP地址：255.255.255.255 (受限广播地址)
数据链路层：
  源MAC：客户端MAC地址（如00:1A:2B:3C:4D:5E）
  目标MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF (广播)
DHCP载荷：
  消息类型：DHCPDISCOVER
  事务ID：随机生成的32位数字（如0xA1B2C3D4）
  客户端硬件地址：客户端的MAC地址
  请求选项列表：客户端希望获得的参数

特点：

  • 客户端以广播方式发送，因为不知道网络中有哪些DHCP服务器
  • 可能有多个DHCP服务器会收到此请求

2. DHCP OFFER（提供阶段）

场景：DHCP服务器收到DISCOVER后，提供一个可用的IP地址提案。

服务器决策：

  • 从地址池中选择一个未分配的IP地址（如192.168.1.100）
  • 确定相关网络参数：
    • 子网掩码：根据网络规划确定（如255.255.255.0）
    • 租期：预设的租用时间（如86400秒 = 24小时）
    • 网关地址：默认网关（如192.168.1.1）
    • DNS服务器：DNS解析服务器（如8.8.8.8, 8.8.4.4）

报文详细信息：

传输层：
  源端口：67 (DHCP服务器端口)
  目标端口：68 (DHCP客户端端口)
网络层：
  源IP地址：DHCP服务器的IP地址（如192.168.1.1）
  目标IP地址：255.255.255.255 (广播) 或 客户端MAC关联的单播
数据链路层：
  源MAC：服务器MAC地址
  目标MAC：客户端MAC地址或广播
DHCP载荷：
  消息类型：DHCPOFFER
  事务ID：与DISCOVER报文相同的ID（0xA1B2C3D4）
  Your IP Address：预分配的IP地址（192.168.1.100）
  服务器标识：服务器自身的IP地址（192.168.1.1）
  选项字段：
    子网掩码(1)：255.255.255.0
    路由器(3)：192.168.1.1
    DNS服务器(6)：8.8.8.8, 8.8.4.4
    IP地址租期(51)：86400秒
    更新时间(T1)(58)：43200秒（租期的50%）
    重新绑定时间(T2)(59)：75600秒（租期的87.5%）
    DHCP消息类型(53)：Offer(2)

特点：

  • 服务器临时保留提供的IP地址，防止其他客户端占用
  • 可能存在多个服务器同时提供OFFER

3. DHCP REQUEST（请求阶段）

场景：客户端从收到的OFFER中选择一个，正式请求使用该配置。

客户端决策：

  • 通常选择第一个收到的OFFER
  • 记录选中的服务器标识（192.168.1.1）

报文详细信息：

传输层：
  源端口：68
  目标端口：67
网络层：
  源IP地址：0.0.0.0 (客户端尚未正式获得IP)
  目标IP地址：255.255.255.255 (广播)
数据链路层：
  源MAC：客户端MAC地址
  目标MAC：广播地址
DHCP载荷：
  消息类型：DHCPREQUEST
  事务ID：保持不变（0xA1B2C3D4）
  客户端硬件地址：客户端的MAC地址
  请求的IP地址(option 50)：192.168.1.100
  服务器标识(option 54)：192.168.1.1（选择的服务器）
  选项字段：
    请求的IP地址(50)：192.168.1.100
    服务器标识符(54)：192.168.1.1
    DHCP消息类型(53)：Request(3)

关键作用：

  1. 正式请求选中的IP配置
  2. 隐式拒绝其他服务器的OFFER（通过广播告知所有服务器自己的选择）
  3. 防止冲突：确保只有被选中的服务器最终分配该地址

4. DHCP ACK（确认阶段）

场景：被选中的服务器确认请求，正式分配IP配置。

服务器操作：

  • 验证请求的IP地址（192.168.1.100）仍可用
  • 正式分配该地址给客户端MAC
  • 记录租期开始时间（如2024-01-15 10:00:00）

报文详细信息：

传输层：
  源端口：67
  目标端口：68
网络层：
  源IP地址：DHCP服务器IP（192.168.1.1）
  目标IP地址：192.168.1.100 (客户端的正式IP) 或 广播
数据链路层：
  源MAC：服务器MAC地址
  目标MAC：客户端MAC地址（单播时）
DHCP载荷：
  消息类型：DHCPACK
  事务ID：保持不变（0xA1B2C3D4）
  Your IP Address：192.168.1.100
  服务器标识：192.168.1.1
  选项字段：
    子网掩码(1)：255.255.255.0
    路由器(3)：192.168.1.1（网关）
    DNS服务器(6)：8.8.8.8, 8.8.4.4
    域名(15)：example.com（可选）
    IP地址租期(51)：86400秒
    更新时间(T1)(58)：43200秒（12小时后）
    重新绑定时间(T2)(59)：75600秒（21小时后）
    服务器标识符(54)：192.168.1.1
    DHCP消息类型(53)：ACK(5)
    租期开始时间：2024-01-15T10:00:00Z
    租期结束时间：2024-01-16T10:00:00Z

客户端接收后操作：

  1. 正式绑定IP：将192.168.1.100配置到网络接口
  2. 配置其他参数：设置子网掩码、网关、DNS等
  3. 启动租期计时器：
    • T1计时器：43200秒后触发（第一次续租尝试）
    • T2计时器：75600秒后触发（第二次续租尝试）
    • 租期到期：86400秒后（必须释放IP）

5. DHCP NAK（拒绝阶段）- 可能发生

场景：如果服务器无法满足REQUEST的请求（如IP已被分配）。

报文详细信息：

DHCP载荷：
  消息类型：DHCPNAK
  事务ID：与REQUEST相同
  服务器标识：发送NAK的服务器IP
  选项字段：
    DHCP消息类型(53)：NAK(6)

客户端响应：收到NAK后必须重新开始DORA流程

6. 租期管理与续租

T1和T2两个时刻都可以动态刷新新的租期周期（24h），如果错过，在当前租期周期的最后时刻，所被分配的IP会被强制释放掉，客户端必须重新走DORA流程获取新的IP。

T1时刻（50%租期，12小时后）：

客户端行为：
  发送DHCPREQUEST（单播到原服务器192.168.1.1）
  端口：68→67
  源IP：192.168.1.100
  目标IP：192.168.1.1
  包含选项：请求续租当前IP
  
服务器响应：
  成功：回复DHCPACK，刷新租期（从当前时间重新计算24小时）
  失败：无响应或回复NAK，客户端继续等待直到租期到期

T2时刻（87.5%租期，21小时后）：

客户端行为：
  发送DHCPREQUEST（广播）
  端口：68→67
  源IP：192.168.1.100
  目标IP：255.255.255.255
  目的：请求网络中任何DHCP服务器续租
  
服务器响应：
  成功：任何服务器可响应ACK，刷新租期（从当前时间重新计算24小时）
  失败：无响应或回复NAK，客户端继续等待直到租期到期

租期到期（24小时后）：

  • 客户端必须停止使用192.168.1.100
  • 发送DHCPRELEASE（如果正常关机）或直接丢弃IP
  • 重新开始完整的DORA流程获取新地址

IP转换

公网IP和私网IP

公域IP

  • 定义：全球唯一的IP地址，由互联网数字分配机构分配给各大运营商，用于在全球互联网上直接标识和定位一台设备。它是互联网上的“门牌号”，任何拥有公网IP的设备都能与互联网上的其他设备直接通信。
  • 核心特征：全球可达性、唯一性。两个不同的组织或家庭不能拥有相同的公网IP。
  • 地址范围：除私网IP范围外的所有IP地址。

私域IP

  • 定义：在私有网络内部使用的IP地址，由网络管理员自由分配，无法在互联网上被直接路由和访问。它用于在一个组织或家庭内部标识设备。
  • 核心特征：本地性、可重用性。你家路由器的192.168.1.100和我家路由器的192.168.1.100可以同时存在，互不冲突，因为它们都在各自的私有网络内。
  • 根据RFC 1918，只有三个范围是私有地址： image.png

公网IP和私网IP的转换

由于公网IP地址有限，而设备数量庞大，不可能为每台设备都分配一个公网IP。因此，我们通过 NAT 技术将私网IP“隐藏”在一个或几个公网IP后面。

  • 工作原理：家庭或公司的NET路由器拥有一个公网IP（或从运营商那里获得的一个公网IP）。路由器内部为所有设备（手机、电脑、智能电视）分配私网IP（如192.168.1.x）。

  • 当内网设备访问外网（如百度）时：

    1. 设备用私网IP发出请求包。
    2. 路由器将该包的源地址从私网IP替换为路由器的公网IP，并记录这个连接（建立一个NAT映射表）。
    3. 百度将响应发送给路由器的公网IP。
    4. 路由器根据映射表，将响应包的目标地址从公网IP替换回对应的私网IP，转发给内网设备。

  • 结果：对于百度来说，它只看到了一个公网IP在访问它，并不知道内部有多少台设备。这既节省了公网IP，又起到了安全防火墙的作用（外部无法直接发起对私网IP的连接）。

做一个比喻：公网IP 好比公司的总机电话号码（一个对外的、公开的、唯一的号码）。 私网IP 好比公司内部各个分机号（如101， 102），外部的人无法直接拨打分机号。 NAT路由器 好比公司的前台/总机接线员。当内部分机101想打外线时，接线员用总机号拨出；当外线打进来找101时，也必须先拨总机号，由接线员转接。

家庭网络

image.png

校园网络

校园网络相较于家庭网络而言，会使用更大，更多的私网层级。

步骤1-2：宿舍内NAT转换
  学生电脑发送：192.168.0.100:54321 → 220.181.38.148:80
  宿舍路由器转换：分配端口45000
  创建映射：192.168.0.100:54321 ↔ 10.1.100.50:45000

步骤3-4：校园网关NAT转换
  宿舍路由器转发：10.1.100.50:45000 → 220.181.38.148:80
  校园网关转换：分配端口50002
  创建映射：10.1.100.50:45000 ↔ 202.120.100.11:50002

步骤5：发送到互联网
  最终外发包：202.120.100.11:50002 → 220.181.38.148:80

步骤6-10：响应返回路径
  服务器响应：220.181.38.148:80 → 202.120.100.11:50002
  校园网关反向转换：50002 → 10.1.100.50:45000
  宿舍路由器反向转换：45000 → 192.168.0.100:54321
  最终到达：220.181.38.148:80 → 192.168.0.100:54321
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