DHCP及其发展研究

2017-07-24张萌雨胡曦明

网络安全技术与应用 2017年7期

关键词：客户机IP地址路由器

◆张萌雨胡曦明，2 马苗，2

(1.陕西师范大学计算机科学学院陕西 710119；2.现代教学技术教育部重点实验室陕西 710119)

DHCP及其发展研究

◆张萌雨1胡曦明1，2马苗1，2

(1.陕西师范大学计算机科学学院陕西 710119；2.现代教学技术教育部重点实验室陕西 710119)

本文针对 DHCP（动态主机配置协议）的发展过程，研究了三个主要问题，为什么 RARP（反向地址解析协议）会被 BOOTP（引导程序协议）替代，BOOTP（引导程序协议）为什么要升级为DHCP，以及DHCP与DHCPv6的区别。研究表明，DHCP的发展背后离不开网络的扩张，对一系列相似协议的对比分析，可应用于计算机网络研究和协议设计。

DHCP；RARP；BOOTP；DHCPv6

0 引言

进入本世纪以来，Internet飞速发展，越来越多的设备接入互联网。设备在网络中要实现通信，就需要给每个接口配置一个IP地址、子网掩码和广播地址（IPv4）。多年来，已有很多方法可提供和获得这些配置信息，但基本上采用3种办法：手工获得信息，通过一个系统获得使用的网络服务，或使用某种算法自动确定。

本文主要研究动态主机配置协议（DHCP），它可以动态的为主机或路由器指定配置信息。从Internet创建到现在使用的一直是DHCP协议吗？如果不是，都使用过哪些协议呢？未来还会接着使用DHCP吗？

通过研究发现，在 DHCP的发展过程中使用过 RARP和BOOTP，在未来可能会大量推广使用DHCPv6。本文旨在深入了解分析DHCP及RARP、BOOTP、DHCP、DHCPv6这四个协议之间的区别和联系。

1 DHCP及其发展概述

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)是大量应用于局域网中的流行的客户机/服务器协议，使用UDP协议工作。DHCP由两个主要部分组成：地址管理和配置数据交付。地址管理用于 IP地址的动态分配，并为客户机提供地址租用。配置数据交付包括DHCP协议的消息格式和状态机。

图1 DHCP协议操作过程

主要用途有：（1）给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址；（2）给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。DHCP服务器（协议操作过程如图1所示）可配置为提供三种地址分配：自动分配、动态分配和手动分配。三者之间的差异是地址分配是否基于客户机的身份，以及该地址是否可撤销或变更。最常用的方法是动态分配。客户机从服务器配置的地址池（通常为一个预定义的范围）中获取一个可撤销的IP地址。自动分配使用的相同方法，但地址不可撤销。在手动分配中，DHCP协议用于传输地址，但地址对于请求的客户机是不变的（即它不是由服务器维护的可分配池的一部分）。服务器和路由器常使用手工配置。

1.1 基于RARP的主机配置技术

在 DHCP之前使用过两种协议，一个是反向地址解析协议RARP（协议报文格式如所示），一个是 Internet引导程序协议BOOTP(协议的报文格式如图2和图3所示)。从使用时间上看，RARP早于BOOTP，且BOOTP在一开始只是提供了引导无盘系统获取IP地址的另外一个选择。那么为什么RARP会被BOOTP替代呢？

通过对协议报文以及协议操作过程的分析，总结除了以下三个主要原因：

图2 RARP报文格式

图3 BOOTP报文格式

一是根据和可以发现RARP请求和应答是特殊的以太网帧，BOOTP则是封装在UDP数据包之上，所以BOOTP服务器更易于实现；

二是RARP中IP地址是返回的唯一结果，BOOTP则还会返回除IP地址以外的其他信息；

三是RARP使用链路层广播，RARP请求不会被路由器转发，意味着在实际中每个网络都得设置一个RARP服务器。随着网络发展，RARP服务器搭建成为一个极大的负担。

1.2 关于RARP的一个假设

通过对上一节三个原因的分析发现BOOTP优于RARP的一个方面是BOOTP能穿越路由器，而RARP使用链路层广播则不能。如果在路由器中增加允许转发RARP请求的功能会怎样呢？

在实际网络中，一个路由器可以转发一个RARP请求到路由器连接的其他网络上的任何一台主机上，但由于RARP只使用链路地址，路由器一般不知道在其他的、没有连接在路由器上的网络中的主机链路层地址。所以，即使路由器可以转发RARP请求还是会被BOOTP替代。

1.3 基于BOOTP的主机配置技术

BOOTP替代RARP为设备提供配置信息，那么为什么BOOTP没有一直使用下去，而是出现了 DHCP呢。本文通过研究发现DHCP是基于BOOTP的，也就是说DHCP是BOOTP的升级版，那么为什么BOOTP要升级为DHCP呢？

在计算机网络发展初期，由于硬盘昂贵，无盘工作站被大量使用。这些没有硬盘的主机通过BOOTROM启动并初始化系统，再通过BOOTP协议由服务器为这些主机设定配置信息。但在早期的BOOTP协议里，设定BOOTP服务器前必须实现获得客户机的硬件地址，而且硬件地址与 IP地址是静态绑定的，即使无盘工作站并没有连接到网络上，IP地址也不能够被其他主机使用。

图4 BOOTP报文详细格式

图5 DHCP报文详细格式

其次，根据BOOTP和DHCP的报文格式（如图4和图5所示），可以发现BOOTP为客户机提供有限的配置信息，且没有提供一种机制来支持改变已提供的信息。随着网络发展，客户端主机发生变动，这意味着应提供灵活的重新分配其配置信息的机制。DHCP使用租用的概念扩展了BOOTP，动态地为客户机提供操作所需的所有信息。

1.4 面向IPv6的主机配置协议－DHCPv6

近十年来，Internet规模爆炸式增长，使用IP地址的Internet服务与应用设备数量迅猛增长，加快了 IPv4地址的消耗速度。截止2011年2月，全球可用IPv4地址的耗尽也限制了IP技术应用的进一步发展。IPv6的出现大大解决了问题，同时也引起了DHCP到DHCPv6的变化。值得注意的是，在IPv6中，DHCP不再是实现地址自动配置所必不可少的了。这两个协议之前的区别主要主要归类为以下两点：

1.4.1 配置区别

为了更加形象地了解DHCP与DHCPv6在具体配置时的区别，在Cisco Packet Tracer和华三模拟器两个虚拟机上配置了如图6所示的仿真实验。得出结论如表1所示。