DHCP及其發(fā)展研究

◆張萌雨胡曦明，2 馬 苗，2

(1.陜西師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院 陜西 710119；2.現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點實驗室 陜西 710119)

DHCP及其發(fā)展研究

◆張萌雨1胡曦明1，2馬 苗1，2

(1.陜西師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院 陜西 710119；2.現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點實驗室 陜西 710119)

本文針對 DHCP（動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）的發(fā)展過程，研究了三個主要問題，為什么 RARP（反向地址解析協(xié)議）會被 BOOTP（引導(dǎo)程序協(xié)議）替代，BOOTP（引導(dǎo)程序協(xié)議）為什么要升級為DHCP，以及DHCP與DHCPv6的區(qū)別。研究表明，DHCP的發(fā)展背后離不開網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，對一系列相似協(xié)議的對比分析，可應(yīng)用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究和協(xié)議設(shè)計。

DHCP；RARP；BOOTP；DHCPv6

0 引言

進(jìn)入本世紀(jì)以來，Internet飛速發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中要實現(xiàn)通信，就需要給每個接口配置一個IP地址、子網(wǎng)掩碼和廣播地址（IPv4）。多年來，已有很多方法可提供和獲得這些配置信息，但基本上采用3種辦法：手工獲得信息，通過一個系統(tǒng)獲得使用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，或使用某種算法自動確定。

本文主要研究動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP），它可以動態(tài)的為主機(jī)或路由器指定配置信息。從Internet創(chuàng)建到現(xiàn)在使用的一直是DHCP協(xié)議嗎？如果不是，都使用過哪些協(xié)議呢？未來還會接著使用DHCP嗎？

通過研究發(fā)現(xiàn)，在 DHCP的發(fā)展過程中使用過 RARP和BOOTP，在未來可能會大量推廣使用DHCPv6。本文旨在深入了解分析DHCP及RARP、BOOTP、DHCP、DHCPv6這四個協(xié)議之間的區(qū)別和聯(lián)系。

1 DHCP及其發(fā)展概述

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)是大量應(yīng)用于局域網(wǎng)中的流行的客戶機(jī)/服務(wù)器協(xié)議，使用UDP協(xié)議工作。DHCP由兩個主要部分組成：地址管理和配置數(shù)據(jù)交付。地址管理用于 IP地址的動態(tài)分配，并為客戶機(jī)提供地址租用。配置數(shù)據(jù)交付包括DHCP協(xié)議的消息格式和狀態(tài)機(jī)。

圖1 DHCP協(xié)議操作過程

主要用途有：（1）給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動分配IP地址；（2）給用戶或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員作為對所有計算機(jī)作中央管理的手段。DHCP服務(wù)器（協(xié)議操作過程如圖1所示）可配置為提供三種地址分配：自動分配、動態(tài)分配和手動分配。三者之間的差異是地址分配是否基于客戶機(jī)的身份，以及該地址是否可撤銷或變更。最常用的方法是動態(tài)分配。客戶機(jī)從服務(wù)器配置的地址池（通常為一個預(yù)定義的范圍）中獲取一個可撤銷的IP地址。自動分配使用的相同方法，但地址不可撤銷。在手動分配中，DHCP協(xié)議用于傳輸?shù)刂罚刂穼τ谡埱蟮目蛻魴C(jī)是不變的（即它不是由服務(wù)器維護(hù)的可分配池的一部分）。服務(wù)器和路由器常使用手工配置。

1.1 基于RARP的主機(jī)配置技術(shù)

在 DHCP之前使用過兩種協(xié)議，一個是反向地址解析協(xié)議RARP（協(xié)議報文格式如所示），一個是 Internet引導(dǎo)程序協(xié)議BOOTP(協(xié)議的報文格式如圖2和圖3所示)。從使用時間上看，RARP早于BOOTP，且BOOTP在一開始只是提供了引導(dǎo)無盤系統(tǒng)獲取IP地址的另外一個選擇。那么為什么RARP會被BOOTP替代呢？

通過對協(xié)議報文以及協(xié)議操作過程的分析，總結(jié)除了以下三個主要原因：

圖2 RARP報文格式

圖3 BOOTP報文格式

一是根據(jù)和可以發(fā)現(xiàn)RARP請求和應(yīng)答是特殊的以太網(wǎng)幀，BOOTP則是封裝在UDP數(shù)據(jù)包之上，所以BOOTP服務(wù)器更易于實現(xiàn)；

二是RARP中IP地址是返回的唯一結(jié)果，BOOTP則還會返回除IP地址以外的其他信息；

三是RARP使用鏈路層廣播，RARP請求不會被路由器轉(zhuǎn)發(fā)，意味著在實際中每個網(wǎng)絡(luò)都得設(shè)置一個RARP服務(wù)器。隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，RARP服務(wù)器搭建成為一個極大的負(fù)擔(dān)。

1.2 關(guān)于RARP的一個假設(shè)

通過對上一節(jié)三個原因的分析發(fā)現(xiàn)BOOTP優(yōu)于RARP的一個方面是BOOTP能穿越路由器，而RARP使用鏈路層廣播則不能。如果在路由器中增加允許轉(zhuǎn)發(fā)RARP請求的功能會怎樣呢？

在實際網(wǎng)絡(luò)中，一個路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)一個RARP請求到路由器連接的其他網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺主機(jī)上，但由于RARP只使用鏈路地址，路由器一般不知道在其他的、沒有連接在路由器上的網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)鏈路層地址。所以，即使路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)RARP請求還是會被BOOTP替代。

1.3 基于BOOTP的主機(jī)配置技術(shù)

BOOTP替代RARP為設(shè)備提供配置信息，那么為什么BOOTP沒有一直使用下去，而是出現(xiàn)了 DHCP呢。本文通過研究發(fā)現(xiàn)DHCP是基于BOOTP的，也就是說DHCP是BOOTP的升級版，那么為什么BOOTP要升級為DHCP呢？

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期，由于硬盤昂貴，無盤工作站被大量使用。這些沒有硬盤的主機(jī)通過BOOTROM啟動并初始化系統(tǒng)，再通過BOOTP協(xié)議由服務(wù)器為這些主機(jī)設(shè)定配置信息。但在早期的BOOTP協(xié)議里，設(shè)定BOOTP服務(wù)器前必須實現(xiàn)獲得客戶機(jī)的硬件地址，而且硬件地址與 IP地址是靜態(tài)綁定的，即使無盤工作站并沒有連接到網(wǎng)絡(luò)上，IP地址也不能夠被其他主機(jī)使用。

圖4 BOOTP報文詳細(xì)格式

圖5 DHCP報文詳細(xì)格式

其次，根據(jù)BOOTP和DHCP的報文格式（如圖4和圖5所示），可以發(fā)現(xiàn)BOOTP為客戶機(jī)提供有限的配置信息，且沒有提供一種機(jī)制來支持改變已提供的信息。隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，客戶端主機(jī)發(fā)生變動，這意味著應(yīng)提供靈活的重新分配其配置信息的機(jī)制。DHCP使用租用的概念擴(kuò)展了BOOTP，動態(tài)地為客戶機(jī)提供操作所需的所有信息。

1.4 面向IPv6的主機(jī)配置協(xié)議－DHCPv6

近十年來，Internet規(guī)模爆炸式增長，使用IP地址的Internet服務(wù)與應(yīng)用設(shè)備數(shù)量迅猛增長，加快了 IPv4地址的消耗速度。截止2011年2月，全球可用IPv4地址的耗盡也限制了IP技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。IPv6的出現(xiàn)大大解決了問題，同時也引起了DHCP到DHCPv6的變化。值得注意的是，在IPv6中，DHCP不再是實現(xiàn)地址自動配置所必不可少的了。這兩個協(xié)議之前的區(qū)別主要主要歸類為以下兩點：

1.4.1 配置區(qū)別

為了更加形象地了解DHCP與DHCPv6在具體配置時的區(qū)別，在Cisco Packet Tracer和華三模擬器兩個虛擬機(jī)上配置了如圖6所示的仿真實驗。得出結(jié)論如表1所示。

圖6 實驗拓?fù)鋱D

表1 實驗結(jié)果

1.4.2 協(xié)議操作區(qū)別

圖7 DHCP協(xié)議操作過程

圖8 DHCPv6協(xié)議操作過程

從圖7和圖8中可以看出，DHCP和DHCPv6協(xié)議在操作過程中，對應(yīng)部分相似，主要有以下三個區(qū)別：

（1）一臺客戶機(jī)是否啟用DHCPv6，取決于這臺主機(jī)接收的ICMPv6路由器通告中的配置選項。包括兩個重要的位字段，M位（可管理地址配置標(biāo)志）和O位（其他配置標(biāo)志）；

（2）DHCP采用廣播方式，DHCPv6采用IPv6組播地址方式；

（3）檢測沖突時，DHCP采用ARP或DAD，DHCPv6只采用DAD。

1.5 BOOTP、DHCP、DHCPv6的性能分析

相對于RARP來說，BOOTP、RARP和DHCPv6的聯(lián)系顯得更為緊密，對這三個協(xié)議的性能進(jìn)行對比分析，主要得出以下四個結(jié)論：

（1）DHCP與BOOTP之間存在一定的兼容性，但在DHCPv6中沒有保留BOOTP消息格式；

（2）BOOTP和DHCP主要消息存放在前面的字段中，BOOTP沒有選項字段，DHCP選項則是用來攜帶DHCP需要而BOOTP中沒有的字段，而DHCPv6則把最有意義的信息攜帶在選項中；

（3）IPv4主機(jī)的接口只可以有一個IP地址，而IPv6主機(jī)的每個接口通常有多個地址，用計時器來決定相應(yīng)地址的使用時長和使用目的。這就決定了DHCP、DHCPv6在配置上的區(qū)別，DHCP定義租用期，而DHCPv6 定義首選和有效生命周期；

（4）端口使用不同，BOOTP和DHCP使用67、68號端口，DHCPv6則使用546、547號端口。

2 結(jié)論

本文對RARP、BOOTP、DHCP、DHCPv6之間的更迭進(jìn)行了深入研究，得出了如下的結(jié)論。這四種協(xié)議的變化是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的縮影，主要是為了適應(yīng)不斷擴(kuò)張的網(wǎng)絡(luò)的需求。

從RARP到BOOTP，使得網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器的數(shù)量大大減少，達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)簡化的效果。從BOOTP到DHCP，是移動終端大量使用的結(jié)果，也使得對網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)變得更加容易。而 DHCP到DHCPv6的變化，歸因于IPv6地址的出現(xiàn)。

對同一類型協(xié)議的對比，有助于對DHCP協(xié)議的理解，使得對協(xié)議的學(xué)習(xí)變得更加系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化。可應(yīng)用于對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究學(xué)習(xí)中，對于今后設(shè)計協(xié)議也有很大的幫助。

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中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（GK201503065），現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點實驗室開放課題資助項目（SYSK201501），陜西師范大學(xué)非師范拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃2017年度項目。