【Linux 网络基础】Linux 平台 DHCP 运作原理与握手过程详解

Linux 平台 DHCP 运作原理与握手过程详解

概述

• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）在以太网广播域内为主机自动分配 IPv4 地址及网络参数（子网掩码、默认网关、DNS 等）。
• 客户端使用 UDP 68 端口，服务器使用 UDP 67 端口；初次阶段客户端常以源地址 0.0.0.0 向广播地址 255.255.255.255 发送报文。
• Linux 上的 DHCP 客户端为用户态进程（如 dhclient, udhcpc, dhcpcd, systemd-networkd），通过套接字与内核网络栈交互，并最终使用 netlink/ioctl 配置 IP 地址和路由。

基础概念

• 广播域：DHCP 依赖二层广播，跨网段时需要中继（Relay Agent）。
• 关键字段：chaddr（客户端 MAC）、ciaddr（客户端当前 IP）、yiaddr（服务器分配的 IP）、giaddr（中继地址）、xid（事务 ID）。
• 重要选项：
  • 53（消息类型）
  • 50（请求的 IP 地址）
  • 54（服务器标识）
  • 51（租约时长）
  • 1/3/6（子网掩码/默认网关/DNS）
  • 15（域名）
  • 121（无类静态路由）
  • 82（中继代理信息，交换机/中继用于安全审计与策略）

报文与端口

• 客户端端口：UDP/68；服务器端口：UDP/67。
• 初次阶段无 IP 时：客户端以 0.0.0.0:68 → 255.255.255.255:67 广播发送；服务器响应通常广播回客户端，或在具备条件时单播。
• 续租阶段客户端已有地址：可能单播 REQUEST 到服务器的 UDP/67（更高效且更少广播）。

标准四步握手（DORA）

• Discover：客户端广播 DHCPDISCOVER，表明需要地址与参数。
• Offer：一个或多个服务器广播/单播 DHCPOFFER，给出候选 yiaddr 与参数集合；包含 Server Identifier(54)。
• Request：客户端选择其一后广播 DHCPREQUEST，指明目标服务器（选项 54）与请求 IP（选项 50）；同时向其他服务器隐式拒绝。
• Ack：目标服务器返回 DHCPACK，确认分配并给出完整参数与租约时间（选项 51）；若拒绝则返回 DHCPNAK。

续租与重绑定（T1/T2）

• 租约时间由服务器设定（选项 51）。客户端维护两个阈值：
  • T1：通常为租约的 50%。到达后客户端单播 REQUEST 给原服务器续租。
  • T2：通常为租约的 87.5%。若 T1 阶段失败，T2 阶段客户端广播 REQUEST，尝试与任意可用服务器重绑定。
• 若直到租约到期仍续租失败，客户端应释放地址并回到 Discover 阶段。

地址冲突检测与 ARP 行为

• 一些客户端在获取 DHCPACK 后会进行 ARP Probe（如 arping -D）以检测地址是否被占用；若冲突，发送 DHCPDECLINE 给服务器并重新 Discover。
• 成功配置后可能发送 Gratuitous ARP 通告自身地址，便于邻居缓存更新与冲突快速暴露。

Linux 平台常见实现

• dhclient（ISC）：传统、功能全面，广泛用于发行版；可通过钩子脚本执行路由/DNS 更新。
• udhcpc（BusyBox）：面向嵌入式（如 Ingenic 平台），体积小、启动快；通过 /usr/share/udhcpc/default.script 等脚本配置网络。
• dhcpcd：集成度高，支持多特性与自动化配置。
• systemd-networkd：在 *.network 中设置 DHCP=yes 即可自动完成握手与应用网络参数。
• NetworkManager：桌面/服务器常用，统一管理 Wi‑Fi/以太网并调用后端 DHCP 客户端。

握手时序细节（初次获取）

• 客户端创建 UDP 套接字并设置 SO_BROADCAST，绑定 0.0.0.0:68。
• 发送 DHCPDISCOVER（L2 广播 MAC ff:ff:ff:ff:ff:ff；L3 广播 255.255.255.255）。
• 服务器接收后选择可用地址，检查租约池/冲突/策略（VLAN、snooping、ACL），生成 DHCPOFFER。
• 客户端可能收到多个 Offer，依据策略（服务器延迟、参数完整性、策略权重）选择一个，随后广播 DHCPREQUEST 指定服务器（选项 54）。
• 服务器确认并返回 DHCPACK，含租约时间与参数。若发现冲突/策略不符则 DHCPNAK。
• 客户端应用配置（通过 netlink 设置 ip addr add，ip route add 等），更新 DNS（/etc/resolv.conf 或 resolvconf/systemd‑resolved），触发 ARP 通告。

续租与重绑定细节

• T1 阶段：单播 REQUEST 给原服务器（ciaddr 为当前地址，Server Identifier 指向原服务器）；成功则延长租约。
• T2 阶段：若原服务器不可达，广播 REQUEST，任何服务器都可 ACK 续租或重新分配。
• 失败与回退：若 NAK 或超时，客户端释放地址并回到 Discover；某些实现会暂时保留旧配置以避免瞬断。

中继与跨网段（Relay Agent）

• 二层广播无法跨三层边界，需 DHCP 中继（例如 dhcrelay）。
• 中继在接收客户端广播后将报文封装并转发到服务器，同时填充 giaddr 与可选的 Option 82。服务器据此返回响应给中继，再由中继转发回客户端。

多场景行为

• 多网卡：每个接口独立握手与租约；避免同一 MAC 在不同 VLAN 产生冲突。
• VLAN/Bridge：在桥接或 VLAN 接口上进行 DHCP；确保过滤策略（ebtables/交换机 ACL）允许 67/68 端口流量。
• 虚拟化/容器：容器通常由宿主网络栈分配地址（如 Docker 使用桥接+NAT），容器内部一般不直接运行 DHCP 客户端；但在特定 CNI 或裸容器场景可启用。

安全与网络设备特性

• DHCP Snooping：交换机记录可信端口与租约绑定，防止伪造服务器与地址欺骗。
• Option 82：中继/交换机插入接入信息（端口/VLAN），服务器依据此进行精细策略。
• 过滤与隔离：iptables/nftables/ebtables 需允许 UDP/67 与 UDP/68；不当过滤会导致"无法获取地址"。

调试与排错

• 抓包：tcpdump -i eth0 -vvv -n port 67 or port 68
• 交互日志：
  • dhclient -v eth0 查看详细过程
  • journalctl -u systemd-networkd 或 nmcli device show 观察状态
• 常见问题：
  • 交换机未放通广播或 DHCP Snooping 策略错误→检查接入策略与可信端口。
  • 防火墙阻断 67/68→调整 iptables/nftables 规则。
  • 中继配置错误（giaddr/Option82）→检查中继路由与服务器策略。
  • 多服务器竞争→客户端应选择一个并在 Request 中明确 Server Identifier。

常见 DHCP 消息类型

• DHCPDISCOVER：发现
• DHCPOFFER：提供
• DHCPREQUEST：请求/续租/重绑定
• DHCPACK：确认
• DHCPNAK：否认
• DHCPDECLINE：地址冲突声明
• DHCPRELEASE：主动释放
• DHCPINFORM：客户端已有地址，需要仅获取参数（无分配）

实践建议（Linux）

• 嵌入式/精简系统：优先使用 udhcpc 并定制脚本以最小化启动时延与依赖。
• 服务器/桌面：使用 systemd-networkd 或 NetworkManager，统一管理并与策略/防火墙集成。
• 配置文件示例（systemd-networkd）：
  • /etc/systemd/network/10-eth0.network 中设置：DHCP=yes，可选 UseDomains=true，RouteMetric= 控制路由优先级。

快速命令参考

• 启动客户端：sudo dhclient -v eth0
• BusyBox 客户端：sudo udhcpc -i eth0 -f -v
• 抓包：sudo tcpdump -i eth0 -vvv -n port 67 or port 68
• 冲突检测：sudo arping -D -I eth0 <ip>

总结

• DHCP 在 Linux 上通过用户态客户端配合内核网络栈，基于 UDP 广播完成 DORA 四步握手，并在租约周期内进行 T1/T2 续租与重绑定。
• 正确的交换机/中继配置、主机防火墙策略与客户端实现选择，是确保可靠地址分配与网络可用性的关键。