---------------------------------------------写在前面的废话--------------------------------------------
本文绝大部分内容翻译自rfc 2131，部分内容参考了华为dhcp技术白皮书，并抓包分析了诸多细节。
文中有翻译不准确或是理解有误的地方欢迎指正，拍砖。
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-------------------------------------------------基本概念--------------------------------------------
DHCP是Dynamic Host Configuration Protocol的缩写，它的前身是BOOTP，DHCP可以说是BOOTP的增强版本，它分为两个部分：一个是server端，而另一个是client端。它允许主机在连接internet时自动的从server端获取ip地址，路由，子网掩码，dns服务器等信息。
像rfc一样，文章开头我们先介绍一些名词的定义。
1. DHCP client
DHCP client 指的是一台能利用DHCP协议去获取像ip地址，子网掩码等配置参数的internet主机。
2. DHCP server
DHCP server指的是一台能提供给DHCP clinet配置参数的internet 主机.
3. BOOTP relay agent
BOOTP 中继代理或者中继代理是一个在DHCP server和DHCP client之间传递DHCP messages的internet主机或router。DHCP 协议中定义的中继代理的行为和BOOTP 协议中定义的一样，未做改变.
-------------------------------------------------报文格式--------------------------------------------
DHCP 报文利用 UDP协议传输，server监听67端口，client监听68端口。报文格式如下图(摘自rfc2131)：
顺便附上wireshark抓的包，这个是client发的discover类型的包，关于包的类型，后面会有介绍。
op : message type，占1个字节，只能取值1和2，1 = BOOTPREQUEST，2 = BOOTPREPLY.
htype: Hardware address type。硬件类型代码，占1个字节，1 = 10mb ethernet，即千兆以太网。
hlen: Hardware address length。硬件地址长度，占1个字节，当htype为1时，值为6。
hops: 跳数。占1个字节，dhcp跨网段使用时由relay agent使用。dhcp client发出的包此字段清零。
xid: transaction id，占4个字节，值为dhcp client发送数据包时填充的一个随机数，用来在client和server之间表示一组request和reply。
secs: 秒数，占2个字节，由客户端填充，表示从客户端开始请求分配ip或请求更新ip租期所经历的时间。
flags: 标志字段，占2个字节，目前只使用左边最高位的bit，其他bit必须有client发包时清零，并且server必须忽略除了最高位的其他位。被client用来表示自己想从server或是reply agent那里得到的回复是unicast类型还是broadcast类型。
ciaddr: client的ip address，占4个字节，只有在client拥有ip，能够响应arp请求时，并且client端处于BOUND，RENEW 或者 REBINDING 状态时才会被client填充
yiaddr: dhcp server分配给client的ip地址。占4个字节。
siaddr: dhcp流程的下一个服务器地址，占4个字节，由dhcp server在DHCPOFFER 和 DHCPACK保证返回。一个使用的例子是：无盘中，客户机获得ip后，通常需要去ftp服务器下载启动镜像，ftp服务器的的ip地址就是在此处保存的。
giaddr: dhcp中继的地址，占4个字节，当跨网端使用dhcp时，该字段由第一个relay agent填充，并且每一个agent都将hops加一，通常hops值有一个限制，超过此限制后，该dhcp包将被丢弃。
chaddr: client的硬件地址。占16个字节。
sname: 可选的dhcp server的hostname。占64个字节，是一个以null结尾的字符串。
file: 启动文件名，占128个字节，是一个以null结尾的字符串。当主机从网络启动时会使用。
options: 可选的参数列表。长度不固定。后面会有介绍。
rfc 1533 列出了一个完整的option 类型集合。在这些option中，有一个特殊的option----"DHCP message type" option 必须被包含在每一个DHCP报文中，用于指定每个报文的报文类型。
-------------------------------------------------报文种类--------------------------------------------
DHCPDISCOVER: dhcp client 获取ip时，向本地网络广播此类型的包。
DHCPOFFER: dhcp server 回复dhcp client 发出的 DHCPDISCOVER，DHCPOFFER包里包含了dhcp server 将要提供给client的一些配置参数。
DHCPREQUEST: dhcp client 在以下情况下发送给dhcp server的包：(a) client请求一个特定的server发送的DHCPOFFER中提供的配置信息，同时暗示的拒绝其他所有server的DHCPOFFER。(b) client在某些时候确认之前分配给自己的配置信息的正确性，比如client操作系统重启后，短暂的线路物理故障后。(c) client 延续他已经获得的明确的ip address的租期。
DHCPACK: dhcp server 回复 dhcp client发送的DHCPREQUEST包或者DHCPINFORM包，里面包含了server分配给client的配置信息。
DHCPNAK: dhcp server 告诉 dhcp client他所请求的配置信息是不正确或不合法的。或者告诉client他的ip 租约已经过期。
DHCPDECLINE: dhcp client 通知 dhcp server他所分配给自己的network address 已经有其他机子在使用了。
DHCPRELEASE: dhcp client 发送给 dhcp server，用以归还server分配给自己的ip，并取消已经有的租约。
DHCPINFORM: 已经从dhcp server获得ip等配置信息的dhcp client需要获取更为详细的配置信息时，向server发送此类型的报文，server将根据租约进行查找，找到相应的配置信息后，发送DHCPACK报文给client。
-------------------------------------------------server 和 client的交互模式--------------------------------------------
server和client的交互模式一：开始分配网络地址。
当client第一次上网时，会向server请求一个网络地址，这时的交互模式就是这种模式，步骤、流程如下所示：
client 发送DHCPDISCOVER： client广播一个DHCPDISCOVER类型的数据包到本地子网。这个包可能包含了client暗示给服务器自己想要的网络地址和租约时间。relay agent能将这个报文转发到和client不同的子网.之后client便等候server发来的DHCPOFFER数据包，如果直到超时client还没有收到server发来的DHCPOFFER数据包，client会重新发送DHCPDISCOVER类型数据包。
这个类型的DHCP message 链路层是广播的，网络层也是广播的。wireshark的抓包显示如下：
server 发送DHCPOFFER: 每一个server都会通过广播回复client一个包含了server将要分配给该client的地址信息和其他配置信息的DHCPOFFER报文。这个数据包的src ip是server的ip地址，并且server在这个message的option的DHCP Server Identifier字段记录了自己的ip地址作为身份标识.在需要的时候，报文的yiaddr字段的值就是将要分配给client的网络地址。relay agent会转发这个报文.DHCP协议能有效的工作以防止server在重叠的时间段把同一个网络地址分配给两个不同的client.
这个类型的DHCP messages链路层是广播的，网络层也是广播的。wireshark抓包显示如下：
client 发送DHCPREQUEST: client可能会接收到来自同一个server的一个或多个DHCPOFFER报文，也可能接收到来自多个主机的多个DHCPOFFER报文，client也可以选择去等待多个DHCPOFFER的到来。client会依据DHCPOFFER中提供的配置信息选择一个server，向其广播发送类型为DHCPREQUEST的数据包，并在DHCP Server Identifier选项字段表示一个server，以此来告诉该server被选中，同时暗示拒绝其他server。并且client的request数据包的requested ip address 选项字段必须设置为server在DHCPOFFER报文中yiaddr字段的值。
这个类型的DHCP messages链路层是广播的，网络层也是广播的。wireshark抓包显示如下:
server 发送DHCPACK: 已经发送过DHCPOFFER的server接收到广播的DHCPQEQUEST后，检测DHCP Server Identifier选项的值是不是自己，如果不是，那就表示该client没有选择自己。如果DHCP Server Identifier选项的值是自己，那就说明自己被该client选中。然后检查client所请求的配置信息是否合法，合法就发送DHCPACK报文给client。
这个类型的DHCP messages链路层是广播的，网络层也是广播的，wireshark抓包显示如下：
client收到DHCPACK之后，首先通过arp协议查看是否已经有人在使用这个ip，如果有，就发送DHCPDECLINE类型的数据包给server，然后重新启动上述流程。如果没有，client就使用这个配置信息。通常在这个时候，client还会发送单播的DHCPINFORM来向server获取这个配置的详细信息。wireshark抓包显示DHCPINFORM类型的包的信息如下：
在地址使用的过程中，client可以选择给server发送一个类型为DHCPRELEASE的message去让出(relinquish)这个地址的使用权。该类型的报文细节如下：
这中交互模式可以用下面的图来表示，下图摘选自rfc 2131.
server和client的交互模式二：client 请求重新使用之前已经分配给他的ip地址。
当已经从server获得过ip等配置信息的client 在重启后，或是短暂的线路物理故障后(可用插拔往下来模拟)，client和server之间的交互模式就属于这种。
client 发送DHCPREQUEST: client 广播发送DHCPREQUEST message 到其本地子网，这个message在Requested Ip address 选项字段包含了自己的网络地址。下面是这种类型的数据包的详细结构，注意此处的DHCPREQUEST包和上面的交互模式中该类型的包格式有细微区别，此处没有DHCP Server Identifier字段：
server 回复DHCPACK或DHCPNACK：清楚该client配置信息的server 接收到这个类型的报文后，会发送DHCPACK报文给这个client。(Servers with knowledge of the client’s configuration parameters respond with a DHCPACK message to the client.)。如果server发现client所请求的信息是非法的，比如该client已经被移动到另一个子网内。server就会发送给该client一个DHCPNACK报文，这个client就会重新按照本文所描述的交互一的方式请求配置。
注：client接收到server的DHCPACK报文后，检查本地子网是否已经有其他人在使用这个ip，那么就会给server发送DHCPDECLINE message给server。然后启动本文所描述的模式一重新获取配置.
这种交互模式可以用下图来表示，下图同样摘自rfc 2131.
-------------------------------------------The behavior of DHCP server and client--------------------------------------------
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