一、动机

Socket库的gethostbyname函数会请求操作系统向DNS服务器发送查询消息(即某域名对应的IP地址是什么)。
显然，要向DNS服务器发送消息，得先知道DNS服务器的IP地址（有2种方式）。
①手动设置过DNS服务器的IP地址；
②自动获得DNS服务器地址。

那么计算机是如何自动获得DNS服务器地址的呢？这就要让DHCP来大显身手了！

二、动态主机配置协议（DHCP）

1.DHCP（Dynamic Host Configuration Protocal）的作用

常用于给主机动态分配IP地址。

DHCP提供即插即用联网的机制，即允许一台计算机加入新的网络时自动获取IP地址。
再通俗地解释一遍：当张三买了一台新笔记本，用网线将笔记本和网口连接时，该计算机就自动获取了IP地址。

DHCP是怎么实现这一个功能的呢？

2.DHCP的工作原理

(0)预备知识
DHCP属于应用层协议，使用UDP协议提供的服务，采用客户/服务器方式工作。

(1)工作过程
1）需要IP地址的主机在启动时就向DHCP服务器广播发送发现消息。

说明：
①广播的IP地址结构：子网号+主机号全1。
②上述提到的网口可以通俗理解为路由器的一个端口，对应于1个子网。
综合①和②，那么就有了广播IP地址。
③操作系统内部的网络控制软件(也叫协议栈)根据广播地址把发送消息(内容大意：亲爱的DHCP服务器，施舍给小弟1个IP地址吧:))向子网中所有计算机进行广播。（当然了，消息实际是从网卡经网线传输出去的。）
PS：如果计算机可以使用自动获得IP地址功能，那么接入的子网中有DHCP服务器。

2）只有DHCP服务器才响应此广播信息。

响应过程：
DHCP服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息。若找到，则返回找到的信息（说明分配过IP地址了）；若找不到，则从服务器的IP地址池中取一个地址分配给该计算机。

广播消息：
向所在子网广播“DHCP提供”消息，包括该计算机的IP地址和相关配置。

3）计算机收到“DHCP提供”消息后，广播“DHCP请求”信息

4）DHCP服务器广播“DHCP”确认消息

对该过程进行拟人化描述：
①张三(新笔记本)向自己所在的村子(子网)敲锣打鼓地呼喊“村长(DHCP服务器)在哪啊？给我分配套房(IP地址)呗”；（对应上述1）
②只有村长才打理这一声呼喊，并将预分配房的消息通过村里的大喇叭传出去; (对应上述2)
③张三听到消息后，满意地点点头，然后呼喊“感谢村长！我就要那套房啦！”；（对应上述3）
④村长得知后，就在自己的小本本上(DHCP服务器的数据库)记录了这一分配，并广播“m78号房就是你张三的了！”。(对应上述4)

这时候小伙伴就要问了，这不是主机自动获得IP地址吗？那主机怎么自动获得DNS服务器IP地址呢？
PS：由上述的“广播”也知道DHCP协议是基于UDP协议的。

(2)自动获得DNS服务器IP地址
1）前言
张三已经有了IP地址了，那么他下一步就要上网冲浪了。
而张三打开浏览器，输入网址(URL)进行冲浪。浏览器就得调用gethostbyname函数(请求将URL中的域名转化为IP地址)，而这是DNS服务器的工作。
作为新时代负有责任的村长大大(DHCP服务器)当然在提供给张三IP地址的同时，要告诉他DNS服务器IP地址啊。否则，张三只有IP地址，没法将域名转化为目标IP地址，冲不了浪啊。

2）结论
当计算机选择自动获得DNS服务器IP地址时，DHCP服务器不仅为它分配主机IP地址还告诉它DNS服务器IP地址。

3.说明

上述内容掩盖了DHCP的一些细节，比如，DHCP服务器分配给主机的IP地址是临时的。但抓住DHCP工作原理的核心部分才是关键！

DHCP 工作原理

一、什么是DHCP?

　　DHCP，动态主机配置协议，前身是BOOTP协议，是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，常用的2个端口：67(DHCP server),68(DHCP client)。DHCP通常被用于局域网环境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。简单来说，DHCP就是一个不需要账号密码登录的、自动给内网机器分配IP地址等信息的协议。

二、DHCP协议中的报文

DHCP报文共有一下几种：

• DHCP DISCOVER ：客户端开始DHCP过程发送的包，是DHCP协议的开始
• DHCP OFFER ：服务器接收到DHCP DISCOVER之后做出的响应，它包括了给予客户端的IP（yiaddr）、客户端的MAC地址、租约过期时间、服务器的识别符以及其他信息
• DHCP REQUEST ：客户端对于服务器发出的DHCP OFFER所做出的响应。在续约租期的时候同样会使用。
• DHCP ACK ：服务器在接收到客户端发来的DHCP REQUEST之后发出的成功确认的报文。在建立连接的时候，客户端在接收到这个报文之后才会确认分配给它的IP和其他信息可以被允许使用。
• DHCP NAK ：DHCP ACK的相反的报文，表示服务器拒绝了客户端的请求。
• DHCP RELEASE ：一般出现在客户端关机、下线等状况。这个报文将会使DHCP服务器释放发出此报文的客户端的IP地址
• DHCP INFORM ：客户端发出的向服务器请求一些信息的报文
• DHCP DECLINE :当客户端发现服务器分配的IP地址无法使用（如IP地址冲突时），将发出此报文，通知服务器禁止
  使用该IP地址。

DHCP 的 工作流程：

3、DHCP 协议包的组成

• Xid :随机生成的一段字符串，两个数据包拥有相同的xid说明他们属于同一次会话
• Ciaddr :客户端会在发送请求时将自己的ip地址放在此处
• Yiaddr :服务器会将想要分配给客户端的ip地址放在此处
• Siaddr :一般来说是服务器的ip地址.但是注意！根据openwrt源码给出的注释，当报文的源地址、siaddr、option­>server_id字段不一致（有经过跨子网转发）时，通常认为option­>srever_id字段为真正的服务器ip，siaddr有可能是多次路由跳转中的某一个路由的ip （下图中wireshark抓包中也有标明siaddr为nextserver ip address）
• Chaddr :客户端的mac地址
• Giaddr :如果需要跨子网进行DHCP地址发放，则在此处填入经过的路由器的ip地址
• Sname :服务器主域名
• Options :可以自由添加的部分，用于存放客户端向服务器请求信息和服务器的应答信息

DHCP 客户端

一、DHCP 原理

1、什么是DHCP 客户端

 　  DHCP客户端一般来说是局域网中独立的PC主机。

　　DHCP客户端发出的DHCP DISCOVER包是DHCP协议的开始。

　　延续租期、发现、释放IP地址等大多数DHCP中的行为都是由DHCP客户端主动发起。

2、DHCP 自动状态机

　　DHCP获得ip地址的4步骤：discover­>offer­>request­>ack(nak)

　　DHCP刷新租期的步骤：request­>ack(nak)

　　DHCP释放ip的步骤：release

　　wnr2000v5 1.0.0.8的代码中没有发现rebooting、init­reboot状态。所以DHCP client的状态一般从init开始，完整的状态机如下图（红色代表客户端的状态跳转）：

DHCP Server

 一、DHCPD 原理

1、简述

 　　DHCP SERVER指的是服务器端，在路由器上体现的就是给LAN端动态分配IP的功能。DHCP SERVER负责接收客户端的DHCP请求，管理LAN端所有的IP网络设定资料，相比于BOOTP，DHCP通过“租约”来实现动态分配IP的功能，实现IP的时分复用，从而解决IP资源短缺的问题。其地址分配方式有三种，分别是人工配置（由管理员对每台具体的计算机指定一个地址），自动配置（服务器为第一次连接网络的计算机分配一个永久地址），动态配置（在一定的期限内将地址租给计算机，租期结束后客户必须续租或者停用该地址），而对于路由器，经常使用的地址分配方式是动态配置。

2、两个租约表

• 静态租约表：对应一个静态租约存储文件，server运行时从文件中读取静态租约表。
• 动态租约表：对应一个周期存储文件，server周期性将租约表存进该文件，在程序开始时将会读取上次存放的租约表。（租约表记录了当前所有分配的租约，包括静态链接的）。

3、基本逻辑

　　原则上DHCP SERVER是一直处在被动接受请求的状态，当有客户端请求时，服务器会读取获得客户端当前所在的状态以及客户端的信息，并在静态租约表和动态租约表中进行检索找到相应的表项，再根据客户端的状态执行不同的回复。当收到客户端的首次请求时，DHCP服务器先查找静态租约表；若存在请求的表项，返回这个客户的静态IP地址；否则，从IP地址池中选择可用的IP分配给客户，并添加信息到动态数据库中。此外，服务器将会周期性的刷新租约表写入文件存档，在这个过程中会顺便对动态租约表进行租期检查。

执行回复动作：

• DHCPOFFER：
  • 静态租用：首先匹配MAC地址，看是否能在静态租约表中找到对应的项，若能找到就把IP分配给他。静态表中的IP不能被其他客户使用。   
  • 动态租用：
    • 1.server试图分配给client上次分配过的IP，在这之前检查这个IP是否正在使用。
    • 2.discover中含有request ip 时，检查该IP是否在地址池范围，是否正在使用，是否到期，是否是静态IP，网络上是否已经存在。
    • 3.discover不含request ip，从地址池上寻找一个最小的可用IP分配。
• DHCPACK: 根据是否含有request ip和server ip识别客户端现在init_reboot,selecting,renewing/rebinding中的哪个状态，并根据以下规则执行DHCPACK回复：
  • 1.若client处于selecting状态，验证request ip和server ip是否同服务器中的匹配。
  • 2.若client处于init_reboot状态，验证request ip是否符合租约记录。
  • 3.若client处于renewing/rebinding状态，验证client ip address是否符合租约记录。
• DHNAK:
  • 1.请求的IP是静态IP，但是MAC地址无法与其对应。
  • 2.上面DHCPACK中验证失败。　　
• 服务器还可能会收到其他包:
  • DHCPDECLINE:server会把租约表中相关client硬件地址置空，并保存这个地址一段时间。
  • DHCPRELEASE:清空租期回收IP。
  • DHCPINFORM:回复DHCPACK，数据包含有关于server的信息。

其他参考资料：

DHCP工作过程详解：http://tonyguo.blog.51cto.com/379574/163475/