【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
- 概述
- 10.1 BOOTP 原理
- 10.1.1 核心功能
- 10.1.2 工作过程
- 10.1.3 实现要点
- 10.2 BOOTP 报文
- 10.2.1 报文格式（300 字节固定长度）
- 10.2.2 报文传输流程
- 10.3 启动配置文件
- 10.4 DHCP 基本概念
- 10.4.1 核心功能
- 10.4.2 报文格式与 BOOTP 的差异
- 10.4.3 优势
- 10.5 DHCP 运行方式
- 10.5.1 客户机运行机制（状态转换）
- 10.5.2 服务器运行机制
- 10.5.3 完整交互流程
- 10.6 DHCP/BOOTP 中继代理
- 10.6.1 工作流程
- 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：
- 自身的 IP 地址；
- 文件服务器的 IP 地址；
- 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
- 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。
- 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。
- 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
- 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）。
- 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。
- 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）。
- 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：
- 手工分配：管理员指定 IP 与 MAC 绑定；
- 自动分配：分配永久 IP（类似 BOOTP）；
- 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
- 减少错误：避免手工配置 IP 导致的冲突或子网掩码错误；
- 降低管理负担：自动分配 IP，灵活设置租期，适应设备移动；
- 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）
- 初始化（INIT）：客户机无 IP，广播 DHCPDISCOVER，进入 “选择状态（SELECTING）”。
- 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）”。
- 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。
- 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：
- 收到 DHCPDISCOVER：从地址池分配 IP，发送 DHCPOFFER；
- 收到 DHCPREQUEST：确认客户选择的 IP，发送 DHCPACK（成功）或 DHCPNAK（IP 冲突或无效）；
- 收到 DHCPRELEASE：回收 IP，重新加入地址池；
- 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
- 发现阶段：客户→广播 DHCPDISCOVER（请求 IP 及配置）。
- 提供阶段：服务器→单播 / DHCPOFFER（含 IP、子网掩码、租期等）。
- 请求阶段：客户→广播 DHCPREQUEST（确认选中的服务器）。
- 确认阶段：服务器→DHCPACK（确认租约）或 DHCPNAK（拒绝）。
- 续租阶段：客户在 T1、T2 时段请求续租。
- 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
- 子网 2 的客户机广播 DHCPDISCOVER，中继代理（路由器）接收。
- 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。
- 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。
- 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。