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协议森林16 小美的桌号（DHCP协议）

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DHCP协议用于动态的配置电脑的网络相关参数，如主机的IP地址，路由器出口地址、DNS域名服务器地址等。一台电脑只要接上网，就可以通过DHCP协议获得相关配置，从而顺利的畅游网络。

网络配置

电脑刚刚接上网络时，像一个走入一家新餐厅的食客，不免会有很多疑惑：

“我该坐在哪里？”
“我怎么点菜？”
“我该如何结账？”

初入大饭店

如果顾客的问题长时间得不到解答，那么餐厅很可能失去这位客人。于是，餐厅往往会雇一些服务员。他们可以把客人引导到空闲的座位，并告诉顾客如何点餐、如何结账等。同样，在网络通信中，一台电脑需要设置自己的IP地址等网络参数。可对于电脑用户来说，这些设置太过复杂。幸好，DHCP协议可以解决这一让人头痛的问题。

DHCP协议全称为“动态主机设置协议”（Dynamic Host Configuration Protocol）。通常来说，普通电脑中都内置有DHCP客户端模块。电脑接上网络后，DHCP客户端发现新连通的网络，会在该网络上找DHCP服务器。DHCP服务器将给电脑提供合理的网络配置，并把设置信息传回本机。所谓的DHCP服务器，其实就是一些运行有DHCP服务器端软件的特殊电脑。他们像等候在网络上的服务员，为新来的顾客排忧解难。本机和DHCP服务器之间的通信，都是通过DHCP协议进行的。

其实在网络诞生初期，就有了用一台服务器为网络上的电脑配置参数的做法。最早的一个协议叫BOOTP（Bootstrap Protocol），主要用于开机配置。计算机开机时需要很多配置参数。对于没有磁盘的计算机来说，它无法获得这些参数，但可以通过BOOTP从网络上的其他设备上获得。DHCP大体上继承了BOOTP的工作方式，但在细节上进行了改进。我们将在以后看到。

地址分配

服务员最重要的任务是为客人找座位。类似的，DHCP服务器的首要任务是分配IP地址。分配的IP地址要符合以下原则：

地址合法，即对应该局域网的IP地址和子网掩码。
地址空闲，同一网络下没有其他设备使用该地址。

DHCP服务器上存有一个地址池，里面是可用的IP地址，相当于服务员手中的空闲桌号列表。当新客人出现时，DHCP服务器就会从地址池中取出一个IP地址分配给客人。此外，服务器还会说明IP地址的占用时间，也就是租期：

“先生，请注意您的用餐时间为1个小时”

当然，主机使用网络的时间可能超过租期。如果主机在租期到时都没有联系DHCP服务器，那么DHCP服务器会收回IP地址，再分配给其他主机。可如果主机想继续使用IP地址，就要在中途申请延长租期。收到申请的DHCP服务器通常会答应主机的请求，允许它继续使用现有IP地址。但少数情况下，服务器会要求主机更换IP地址。如果主机联系不上DHCP服务器，那么它必须立即停止使用IP地址，重启寻找DHCP服务器的过程。

有了动态分配，DHCP服务器不但简化了网络配置过程，还可以有效利用IP地址资源。例如一个咖啡馆的Wifi路由允许200台设备接入。咖啡馆每天进出的客人很多。如果每个客人都要求一个不一样的IP地址的话，所需地址会远远超过200台。而通过动态的方式，200个IP地址不断回收使用，完全可以满足客人的需要。有时，DHCP服务器会预留一些地址给特定MAC地址的设备使用。这就好像餐厅给贵宾预留座位，不允许其他客人坐。这样的地址通常会分配给打印机、传真机等特殊设备。由于IP地址固定，用户可以方便的通过IP地址找到它们。

通信过程

DHCP协议的底层是UDP协议。我们知道，网络上的点对点沟通需要有IP地址。但新接入网络的客户机正是想通过DHCP通信来获得IP地址。这简直成了“鸡生蛋、蛋生鸡”的死胡同。幸好，除了点对点通信，UDP协议还允许广播通信。把UDP数据包发送到网络的广播地址，网络上的每个设备都能收到。因此，DHCP通信主要靠这种广播的形式进行。

DHCP通信分为四步：

Discovery：客户机发广播，搜寻DHCP服务器。
Offer：DHCP服务器发出邀请，提供一个可用的IP地址。
Request：客户机正式请求使用该IP地址。
Acknowledge：DHCP服务器确认，并提供其他配置参数。

每一步的通信内容都放在一个符合DHCP格式的数据包中。数据包中可以包括客户机IP地址、服务器IP地址、客户的硬件MAC编号等字段，还能附加多条网络设置参数。当某些信息未知时，如客户机的IP地址，相应的字段可以填成0。

我们可以再次用餐厅来类比通信过程：

客人老张大喊：“服务员，我是老张，给我找张桌子呗？”
服务员小美回喊：“我是服务员小美。老张你坐3号桌行吗？”
老张觉得3号桌不错，又喊了一嗓子，“这桌子行，老张我就坐在这里了啊。”
小美回复，“成啊。记得用餐时间是一个小时哟。”

服务员小美

经过这一系列的DHCP通信，客户机获得了自己的IP地址，也记下了租期时间。为了防止DHCP服务器不靠谱，客户机通常还会探测一下网络，以免该IP已经被其他设备占用。除了租期，DHCP服务器最终确认中，还可能加上其他网络配置信息，如DNS服务器地址、网络出口地址等。客户机可以选择接受，也可以拒绝DHCP服务器的“好意”，自行设置这些参数。

DHCP攻击

一定程度上说，DHCP服务器是个活雷锋，为网络上的其他设备提供公共服务，免得设备之间私自打架。人们也越来越信赖这个活雷锋，只管接上网线、连上Wifi，让DHCP服务器处理配置之类的杂事。无形中，DHCP服务器掌握了很大的公共权力。一些黑客攻击手法开始瞄准DHCP服务器。

针对DHCP的一种攻击办法是从服务器那里骗IP地址。攻击者的电脑可以不断发出DHCP请求，冒充成新入网的客户机。于是，DHCP服务器的地址池被耗干，无法分配地址给后来的用户。后来的用户再也没法使用网络服务。攻击者很可能会继续下连环套。攻击者占有了大量IP地址，可以装扮成新的DHCP服务器，把自己骗来的IP地址分配给网络上的新用户。

等等，好像有什么不对攻击者搞瘫一台DHCP服务器，就为了过一下cosplay的瘾？

假扮小美，很容易被外表迷惑

当然不是。DHCP服务器还能提供其他网络设置参数。攻击者可以让自己成为DNS服务器或者网络出口。于是，客户机的域名解析和外网通信，必须经过攻击者的电脑。这个时候，攻击者的权限就很大了。他可以偷听通信、伪装成客户机、假扮成某个域名的网站。比如说，攻击者就可以篡改域名解析，让你在访问www.cnblogs.com/vamei时，实际上访问的是攻击者提供的一个网页。当你在这个网页上输入用户名和密码时，你的信息就完全泄露给了攻击者。

DHCP攻击让人防不胜防。DHCP协议在设计中并没有考虑到安全性的问题，所以很难从软件上杜绝DHCP攻击。某些品牌的交换机上，可以指定特定端口给合法的DHCP服务器，以免其他人伪装。当然，最重要的保护方式，还是防止攻击者连入局域网。