【TCP/IP】10. 引导协议与动态主机配置协议

10. 引导协议与动态主机配置协议

• [10. 引导协议与动态主机配置协议](#10. 引导协议与动态主机配置协议)
• • 概述
  • [10.1 BOOTP 原理](#10.1 BOOTP 原理)
  • • [10.1.1 核心功能](#10.1.1 核心功能)
    • [10.1.2 工作过程](#10.1.2 工作过程)
    • [10.1.3 实现要点](#10.1.3 实现要点)
  • [10.2 BOOTP 报文](#10.2 BOOTP 报文)
  • • [10.2.1 报文格式（300 字节固定长度）](#10.2.1 报文格式（300 字节固定长度）)
    • [10.2.2 报文传输流程](#10.2.2 报文传输流程)
  • [10.3 启动配置文件](#10.3 启动配置文件)
  • [10.4 DHCP 基本概念](#10.4 DHCP 基本概念)
  • • [10.4.1 核心功能](#10.4.1 核心功能)
    • [10.4.2 报文格式与 BOOTP 的差异](#10.4.2 报文格式与 BOOTP 的差异)
    • [10.4.3 优势](#10.4.3 优势)
  • [10.5 DHCP 运行方式](#10.5 DHCP 运行方式)
  • • [10.5.1 客户机运行机制（状态转换）](#10.5.1 客户机运行机制（状态转换）)
    • [10.5.2 服务器运行机制](#10.5.2 服务器运行机制)
    • [10.5.3 完整交互流程](#10.5.3 完整交互流程)
  • [10.6 DHCP/BOOTP 中继代理](#10.6 DHCP/BOOTP 中继代理)
  • • [10.6.1 工作流程](#10.6.1 工作流程)
    • [10.6.2 配置要点](#10.6.2 配置要点)
  • 本章要点

10. 引导协议与动态主机配置协议

概述

引导协议（BOOTP）和动态主机配置协议（DHCP）均为 TCP/IP 应用层协议，用于解决网络设备的配置问题。BOOTP 主要为无盘节点提供启动信息，DHCP 在其基础上扩展，支持动态 IP 地址分配及更灵活的配置，两者兼容且共享部分报文格式。

10.1 BOOTP 原理

BOOTP（BOOTstrap Protocol）是针对无盘节点设计的启动协议，解决无盘设备从网络获取启动信息的问题。

10.1.1 核心功能

无盘节点启动时需获取三类信息：

1. 自身的 IP 地址；
2. 文件服务器的 IP 地址；
3. 可运行的初始内存映像（启动映象文件名）。

与 RARP 的对比：

• 相同点：均采用客户 - 服务器模式，通过请求 / 应答机制工作。
• 不同点：
  • BOOTP 基于 UDP，服务器是应用程序，易于修改和移植，支持跨 IP 网络通信；
  • RARP 服务器位于内核，依赖物理网络广播，修改和移植困难，仅支持同一物理网络。

10.1.2 工作过程

1. 请求阶段：无盘客户机（无 IP 地址）以有限广播（255.255.255.255）发送 BOOTP 请求，包含自身 MAC 地址。
2. 应答阶段：BOOTP 服务器根据 MAC 地址查询数据库，若存在记录，返回包含客户机 IP、服务器 IP、启动文件名的应答。
3. 启动阶段：客户机通过 TFTP 下载启动文件并启动。

10.1.3 实现要点

• 采用 UDP 传输，客户端端口 68，服务器端口 67；
• 请求为广播，应答可单播或广播；
• 支持跨网关引导，通过中继代理转发请求；
• 依赖超时重传机制保证可靠性（重传间隔采用二进制指数后退策略）。

10.2 BOOTP 报文

BOOTP 报文分为请求和应答两种，格式固定，封装在 UDP 数据报中传输。

10.2.1 报文格式（300 字节固定长度）

字段	长度（字节）	含义（请求 / 应答通用）
操作码	1	1 = 请求，2 = 应答
硬件类型	1	物理网络类型（以太网 = 1）
硬件地址长度	1	硬件地址长度（以太网 = 6）
跳数	1	经过的网关数（初始为 0）
事务标识	4	随机 ID，用于匹配请求与应答
秒数	2	客户端启动后经过的秒数
标志	2	仅最高位有效（0 = 单播应答，1 = 广播应答）
客户 IP 地址	4	客户已知 IP（未知则为 0）
你的 IP 地址	4	服务器分配给客户的 IP（应答用）
服务器 IP 地址	4	服务器自身 IP
网关 IP 地址	4	转发请求的网关 IP（跨网时使用）
客户硬件地址	16	客户 MAC 地址（以太网占前 6 字节）
服务器主机名	64	客户请求的特定服务器名（可选）
引导文件名	128	客户请求的启动文件名（如 "unix"）
特定厂商区域	64	可选配置信息，首 4 字节为 "魔饼"（99.130.83.99），定义后续内容格式

10.2.2 报文传输流程

1. 客户端发送请求 ：
   • 源 IP=0.0.0.0（未知时），目的 IP=255.255.255.255（广播）；
   • 填充 MAC 地址、事务标识等，引导文件名可设为通用名或空（使用默认）。
2. 客户端重传策略 ：
   • 未收到应答时，初始延迟 0-4 秒，后按二进制指数后退（每次重传延迟翻倍），避免网络拥塞。
3. 服务器处理请求 ：
   • 检查服务器名（为空或匹配时处理），查询 MAC-IP 映射表；
   • 填充你的 IP、服务器 IP、启动文件名等，发送应答（单播或广播）。
4. 跨网关引导 ：
   • 网关（中继代理）接收广播请求，修改跳数（+1）和网关 IP，转发至其他子网的服务器；
   • 服务器应答通过网关返回客户机。

10.3 启动配置文件

BOOTP 依赖静态配置文件，存储客户机 MAC 地址与 IP、启动文件等的映射关系，适用于设备固定的网络。

局限性：

• 静态映射不适应设备频繁移动或 IP 地址不足的场景；
• 需管理员手动维护，扩展性差。

解决方案：DHCP 通过动态分配 IP 地址克服上述问题，兼容 BOOTP。

10.4 DHCP 基本概念

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是 BOOTP 的扩展，支持动态 IP 分配及灵活配置，核心是 "租约" 机制（IP 地址的使用期限）。

10.4.1 核心功能

• 自动分配 IP 地址、子网掩码、网关、DNS 服务器等配置信息；
• 支持三种地址分配方式：
  1. 手工分配：管理员指定 IP 与 MAC 绑定；
  2. 自动分配：分配永久 IP（类似 BOOTP）；
  3. 动态分配：IP 地址有租期，到期后回收重用（最常用，节省地址）。

10.4.2 报文格式与 BOOTP 的差异

• 复用 BOOTP 报文格式，主要扩展：
  • 标志位：最高位为 "广播应答标志"（1 = 服务器必须广播应答）；
  • 特定厂商区域：变长（超过 64 字节），通过选项字段携带更多配置信息（如租期、DNS 服务器）。
• 关键选项（类型 53 定义消息类型）：

消息类型	含义	方向
DHCPDISCOVER（1）	客户请求 IP 及配置	客户→服务器
DHCPOFFER（2）	服务器提供 IP 及配置	服务器→客户
DHCPREQUEST（3）	客户确认选择某服务器的提供	客户→服务器
DHCPACK（5）	服务器确认租约	服务器→客户
DHCPNAK（6）	服务器拒绝租约	服务器→客户
DHCPRELEASE（7）	客户主动释放 IP	客户→服务器

10.4.3 优势

1. 减少错误：避免手工配置 IP 导致的冲突或子网掩码错误；
2. 降低管理负担：自动分配 IP，灵活设置租期，适应设备移动；
3. 节省地址：动态分配使 IP 可重用，适合临时设备（如访客终端）。

10.5 DHCP 运行方式

DHCP 通过客户机与服务器的交互完成 IP 分配，核心是 "租约生命周期" 管理。

10.5.1 客户机运行机制（状态转换）

1. 初始化（INIT）：客户机无 IP，广播 DHCPDISCOVER，进入 "选择状态（SELECTING）"。
2. 选择状态：接收多个服务器的 DHCPOFFER（含 IP、租期等），选择首个到达的 offer，广播 DHCPREQUEST（指定选中的服务器），进入 "请求状态（REQUESTING）"。
3. 请求状态：等待服务器应答，若收到 DHCPACK（确认租约），进入 "绑定状态（BOUND）"；若收到 DHCPNAK（拒绝），返回初始化状态。
4. 绑定状态：使用分配的 IP，租期内定期续租：
   • T1（租期 50%）：单播 DHCPREQUEST 给原服务器，请求续租；
   • T2（租期 87.5%）：若 T1 未成功，广播 DHCPREQUEST 请求续租；
   • 租期到期未续租：释放 IP，返回初始化状态。

10.5.2 服务器运行机制

• 被动响应客户机请求：
  1. 收到 DHCPDISCOVER：从地址池分配 IP，发送 DHCPOFFER；
  2. 收到 DHCPREQUEST：确认客户选择的 IP，发送 DHCPACK（成功）或 DHCPNAK（IP 冲突或无效）；
  3. 收到 DHCPRELEASE：回收 IP，重新加入地址池；
  4. 收到 DHCPDECLINE：客户检测到 IP 冲突，服务器标记该 IP 为无效，不再分配。

10.5.3 完整交互流程

1. 发现阶段：客户→广播 DHCPDISCOVER（请求 IP 及配置）。
2. 提供阶段：服务器→单播 / DHCPOFFER（含 IP、子网掩码、租期等）。
3. 请求阶段：客户→广播 DHCPREQUEST（确认选中的服务器）。
4. 确认阶段：服务器→DHCPACK（确认租约）或 DHCPNAK（拒绝）。
5. 续租阶段：客户在 T1、T2 时段请求续租。
6. 释放阶段：客户→DHCPRELEASE（主动释放 IP）。

10.6 DHCP/BOOTP 中继代理

当客户机与服务器位于不同子网时，需通过中继代理转发广播报文（路由器需支持 RFC1542）。

10.6.1 工作流程

1. 子网 2 的客户机广播 DHCPDISCOVER，中继代理（路由器）接收。
2. 中继代理修改报文：网关 IP 设为自身 IP，跳数 + 1，单播转发至子网 1 的 DHCP 服务器。
3. 服务器根据网关 IP 判断客户机所在子网，从对应地址池分配 IP，单播 DHCPOFFER 给中继代理。
4. 中继代理广播 DHCPOFFER 至子网 2 的客户机。

10.6.2 配置要点

• 多子网环境中，DHCP 服务器需为每个子网配置独立地址池；
• 中继代理需启用 DHCP 中继功能，指定服务器 IP 地址。

本章要点

• BOOTP 用于无盘节点获取 IP、服务器 IP 及启动文件名，基于 UDP（端口 67/68），依赖静态配置文件。
• DHCP 扩展 BOOTP，支持动态 IP 分配（租期机制），三种分配方式：手工、自动、动态（最常用）。
• DHCP 报文复用 BOOTP 格式，通过选项字段扩展功能（如租期、DNS 服务器），核心消息类型包括 DISCOVER、OFFER、REQUEST、ACK。
• 客户机通过状态转换完成 IP 获取与续租，服务器被动响应请求，处理 IP 分配与回收。
• 跨子网时需中继代理转发报文，路由器需支持 DHCP/BOOTP 中继功能。
• DHCP 的优势：减少配置错误、降低管理负担、节省 IP 地址，广泛应用于各类网络。