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如何读懂DHCP数据报文

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DHCP 协议是基于UDP层之上的应用,本文结合抓报所得数据分析DHCP协议实现原理。

作者:论坛整理 来源:zdnet网络安全 2008年3月26日

关键字: DHCP DHCP协议 DHCP服务器 网络协议

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  DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机配置协议)是IETF为实现IP的自动配置而设计的协议,它可以为客户机自动分配IP地址、子网掩码以及缺省网关、DNS服务器的IP地址等TCP/IP参数。了解DHCP工作过程可以帮助我们排除有关DHCP服务遇到的问题。

  DHCP 协议是基于UDP层之上的应用,本文结合抓报所得数据分析DHCP协议实现原理

  一、先了解一下需要抓取的DHCP报文

  客户发出的IP租用请求报文

  DHCP客户机初始化TCP/IP,通过UDP端口67向网络中发送一个DHCPDISCOVER广播包,请求租用IP地址。该 广播包中的源IP地址为0.0.0.0,目标IP地址为255.255.255.255;包中还包含客户机的MAC地址和计算机名。

  DHCP回应的IP租用提供报文

  任何接收到DHCPDISCOVER广播包并且能够提供IP地址的DHCP服务器,都会通过UDP端口68给客户机回应一个DHCPOFFER广播包,提供一个IP地址。该广播包的源IP地址为DCHP服务器IP,目标IP地址为255.255.255.255;包中还包含提供的IP地址、子网掩码及租期等信息。

  客户选择IP租用报文

  客户机从不止一台DHCP服务器接收到提供之后,会选择第一个收到的DHCPOFFER包,并向网络中广播一个 DHCPREQUEST消息包,表明自己已经接受了一个DHCP服务器提供的IP地址。该广播包中包含所接受的IP地址和服务器的IP地址。 所有其他的DHCP服务器撤消它们的提供以便将IP地址提供给下一次IP租用请求。

  DHCP服务器发出IP租用确认报文

  被客户机选择的DHCP服务器在收到DHCPREQUEST广播后,会广播返回给客户机一个DHCPACK消息包,表明已经接受客户机的选择,并将这一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入该广播包发给客户机。

  客户配置成功后发出的公告报文

  客户机在收到DHCPACK包,会使用该广播包中的信息来配置自己的TCP/IP,则租用过程完成,客户机可以在网络中通信。

  至此一个客户获取IP的DHCP服务过程基本结束,不过客户获取的IP一般是用租期,到期前需要更新租期,这个过程是通过租用更新数据包来完成的。

  客户IP租用更新报文

  (1)在当前租期已过去50%时,DHCP客户机直接向为其提供IP地址的DHCP服务器发送DHCPREQUEST消息包。如果客户机接收到该服务器回应的DHCPACK消息包,客户机就根据包中所提供的新的租期以及其它已经更新的TCP/IP参数,更新自己的配置,IP租用更新完成。如果没收到该服务器的回复,则客户机继续使用现有的

  IP地址,因为当前租期还有50%。

  (2)如果在租期过去50%时未能成功更新,则客户机将在当前租期过去87.5%时再次向为其提供IP地址的DHCP联系。如果联系不成功,则重新开始IP租用过程。

  (3)如果DHCP客户机重新启动时,它将尝试更新上次关机时拥有的IP租用。如果更新未能成功,客户机将尝试联系现有IP租用中列出的缺省网关。如果联系成功且租用尚未到期,客户机则认为自己仍然位于与它获得现有IP租用时相同的子网上(没有被移走)继续使用现有IP地址。 如果未能与缺省网关联系成功,客户机则认为自己已经被移到不同的子网上,将会开始新一轮的IP租用过程。

  DHCP客户机在发出IP租用请求的DHCPDISCOVER广播包后,将花费1秒钟的时间等待DHCP服务器的回应,如果1秒钟没有服务器的回应,它会将这一广播包重新广播四次(以2,4,8和16秒为间隔,加上1~1000毫秒之间随机长度的时间)。四次之后,如果仍未能收到服务器的回应,则运行Windows 2000的DHCP客户机将从169.254.0.0/16这个自动保留的私有IP地址(APIPA)中选用一个IP地址,而运行其他操作系统的DHCP客户机将无法获得IP地址。DHCP客户机仍然每隔5分钟重新广播一次,如果收到某个服务器的回应,则继续IP租用过程。

  二、设置SNIFFERPRO抓取DHCP通讯报文

  本文使用的抓包工具软件是NAI公司推出的功能强大的协议分析软件---Sniffer Pro。Sniffer Pro 具有强大的网络分析功能和特征,是解决网络问题的好工具。Sniffer支持丰富的的协议,而且能够进行快速解码分析。Sniffer Pro 4.6可以运行在各种Windows平台上(其它类似软件如Netxray不能在Windows 2003和Windows XP上正常运行)。Sniffer软件比较大,运行时需要的计算机内存比较大,否则运行比较慢,这也是它与Netxray相比的一个缺点。

  设置包过滤条件

  网络中传输的数据包很多,这里只抓取跟DHCP有关的数据,设置如下:点击Capture菜单,选择define filter打开define filter-capture对话框,设置入图参数。

  Address选项(图DHCP1)

  Address: Hardware

  Mode:Include

  Station 1: 10E08C5FC28A(网卡的物理MAC地址,不同的网卡MAC是不同)

  Station 2: any

  Advanced选项(图DHCP2)

  IP:ICMP

  UDP:BOOTP/DNS(UDP)

  Packer Size:ALL

  其它用默认设置,给这个配置起个名字:BOOTP

  现在可以抓包了

  先弹出Capture Panel(监视抓包情况),点击Capture菜单中的START开始抓包。进入命令提示符,分别执行IPCONFIG/RELEASE 、IPCONFIG/RENEW命令,通过监视器可以看到已经以抓到数据包了,停止抓包并分析包,还是先保持包到磁盘以备分析。

  图DHCP3 可以看到已经抓到5个报文

  三、分析抓到的数据包

  用户从DHCP获取IP过程如下:

  1、 用户发出DHCPDISCOVER报文;

  图DHCP4 用户发出DHCPDiscover广播报文

  开始抓报文时首先执行的IPCONFIG/RELEASE命令的作用是用来释放IP,这条报文后面分析,在释放IP后执行的更新IP命令IPCONFIG/RENEW将发起一个DHCP过程,分析从这里开始。现在,客户机没有地址,它就会发出一个DHCPDiscover报文,该报文是广播报文,所有的具有DHCP Server功能的服务器都会收到该报文。

  图DHCP5

  在图中我们可以看到该报文在链路层中发的确实是广播报文。由于DHCP协议是初始化协议,更简单的说,就是让终端获取IP 地址的协议,既然终端连IP地址都没有,何以能够发出IP报文呢?

  为了解决这个问题,DHCP报文的封装采取了如下措施:

  1、首先链路层的封装必须是广播形式,即让在同一物理子网中的所有主机都能够收到这个报文。在Ethernet_II格式的网络中,就是目标MAC为全1。

  2、由于终端没有IP地址,IP头中的原IP规定填为全0。

  3、当终端发出DHCP请求报文,它并不知道DHCP SERVER的IP地址,因此IP头中的目标IP填为子网广播IP——全1,以保证DHCP SERVER的IP协议栈不丢弃这个报文。

  4、上面的措施保证了DHCP SERVER能够收到终端的请求报文,但仅凭链路层和IP层信息,DHCP SERVER无法区分出DHCP报文,因此终端发出的DHCP请求报文的UDP层中的原端口为68,目标端口DstPort为67。即DHCP SERVER通过知名端口号67来判断一个报文是否是DHCP报文。

  图DHCP6

  DHCP协议的报文中主要数据格式详解

  图DHCP7

  Boot record type为1时表示是Client的请求,为2时表示是Server的应答。

  Hardware address typeClient 的网络硬件地址类型,1表示Client 的网络硬件是10MB的以太网类型

  /Hardware address lengthClient 的网络硬件地址长度,6表示Client 的网络硬件地址长度是6bytes(即以太网类型的6bytes的MAC地址)。

  HOPS跳数,表示当前的DHCP报文经过的DHCP RELAY(中级)的数目,每经过一个DHCP中继,此字段就会加1,此字段的作用是限制DHCP报文不要经过太多的DHCP RELAY,协议规定,当“hops”大于4(现在也有规定为16)时,这个DHCP报文就不能再进行处理,而是丢弃。

  Transaction id事务ID,Client每次发送DHCP请求报文时选择的随机数,用来匹配server的响应报文是对哪个请求报文的响应。Client会丢弃“ID”不匹配的响应报文。

  Elapsed boot time秒数,用来表示client开始DHCP请求后的时间流逝秒数

  flags标志,在 BOOTP中此字段是保留不用的,在DHCP协议中也只使用了其左边的最高位。

  Client self-assigned IPaddress客户机IP地址

  Client IP address server分配给client的IP地址

  Next Server to use in bootstrap服务器IP地址

  Relay AgentDHCP中继代理IP地址

  Client hardware address客户机硬件地址MAC

  Host name 服务器的主机名

  Boot file nameClient 的启动配置文件名

  Vendor Information tag选项字段,此字段中包含了大量可选的终端初始配置信息和网络配置信息,对于BOOTP协议,此字段为64bytes,对于DHCP协议,此字段为64---312 bytes。其中最常用的选项列表如下:

  Dhcp message typecode = 53, length = 1, value= 1-8,此字段表示DHCP报文类型

  Router Ipcode = 3, length = IP地址长度, value=client的默认网关的 IP地址;

  DNS Ipcode = 6, length = IP地址长度的倍数, value= client的DNS服务器的IP地址序列;

  Wins Ipcode = 44, length = IP地址长度的倍数, value= client的WINS服务器的 IP地址序列;

  Client idcode = 61, length = client的网络硬件地址的长度+2, value=“htype”+“hlen”+ client的网络硬件地址;

  server idcode = 54, length = IP地址长度, value= DHCP SERVER的IP地址;

  其中我们要注意Transaction ID=CF04CD61和DHCP Message Type一项中type=Discover,前一项表示会话ID,即DHCP Server发回的响应报文中该结构的数值要与发出去的DHCP Discover中的该结构数值一样,后一项说明DHCP报文类型为Discover类型报文。

  2 DHCP SERVER回送DHCPOFFER报文

  图DHCP8

  从图中可以看出,DHCPOFFER报文是单播而不是广播,报文明确给出了目标MAC和IP,这一点不同与一般的技术文章介绍。其实,DHCP SERVER给终端的响应报文是根据DHCP报文中的内容决定是广播还是单播,一般都是广播形式。通讯源端口是67,目标端口为68,客户端通过端口号68来判断一个报文是否是DHCP SERVER的响应报文,Transaction ID=CF04CD61,表示这个报文是与图DHCP7中的DHCPDiscover报文相关的报文,因为二者标示一致。

  从DHCP Server回应的DHCPOffer报文中我们还可以得到DHCP拟分配给客户端的初始配置信息和网络配置信息,其中

  Client self-assigned IP address =0.0.0.0表示客户机还没有使用该地址

  Client server-assigned IP address =10.177.124.73表示DHCP Server分配给该客户机的IP地址

  Server IP ID=218.290.240它标示了客户机下一次发出DHCPRequest报文时,哪个DHCP Server会发出回应

  DHCP Message Typee=DHCP Offer表示这是一个对DHCPDiscover的回应报文

  Request IP address lease time =6000 表示租期是100分钟

  Domain Name Server=218.29.0.251域名服务器地址

  Gateway address=10.177.124.254网关地址

  Subnet mask=255.255.255.0 表示这个地址的网段是一个标准的C类地址网段

  详细的请参见图DHCP9

  所有发送DHCP Offer信息包的服务器将保留它们提供的一个IP地址。在该地址不再保留之前,该地址不能分配给其他的客户。

  用户发出DHCPREQUEST报文

  图DHCP10

  客户以广播的方式发送DHCP Request信息包作为响应。注意其中的DHCP Message Type一项中type=Request表示这是一个请求报文。

  客户利用DHCP Request询问服务器其它的配置选项,如:DNS或网关地址如图DHCP11

  DHCP SERVER回送DHCPACK报文

  图DHCP12

  该信息包是以单播的方式发送的。当服务器接收到DHCP Request信息包时,它以一个DHCP Acknowledge信息作为响应,其内容同DHCPOFFER类似,并在“选项”字段中增加了IP地址使用租期选项。

  宣告确认

  CLIENT收到DHCPACK报文后(经过上面的处理后,有且只有一个DHCPACK报文),会检查DHCP SERVER分配给自己的IP地址是否能够使用,如在以太网类型的网络中,CLIENT会发出一个ARP请求来确定DHCP SERVER分配的IP地址是否已经被别人使用,如果可以使用,则CLIENT成功获得IP地址,并根据IP地址使用租期自动启动续延过程。

  如图DHCP13

  DHCP协议报文的种类

  前面反复提到DHCP Message Type项,这里列出所有DHCP协议报文的种类。DHCP协议采用CLIENT-SERVER方式进行交互,其报文格式共有8种,具体含义如下:

  1:DHCPDISCOVER(0x01),此为Client开始DHCP过程的第一个报文

  2:DHCPOFFER(0x02),此为Server对DHCPDISCOVER报文的响应

  3:DHCPREQUEST(0x03),此报文是Slient开始DHCP过程中对server的DHCPOFFER报文的回应,或者是client续延IP地址租期时发出的报文

  4:DHCPDECLINE(0x04),当Client发现Server分配给它的IP地址无法使用,如IP地址冲突时,将发出此报文,通知Server禁止使用IP地址

  5:DHCPACK(0x05),Server对Client的DHCPREQUEST报文的确认响应报文,Client收到此报文后,才真正获得了IP地址和相关的配置信息。

  6:DHCPNAK(0x06),Server对Client的DHCPREQUEST报文的拒绝响应报文,Client收到此报文后,一般会重新开始新的DHCP过程。

  7:DHCPRELEASE(0x07),Client主动释放server分配给它的IP地址的报文,当Server收到此报文后,就可以回收这个IP地址,能够分配给其他的Client。

  8:DHCPINFORM(0x08),Client已经获得了IP地址,发送此报文,只是为了从DHCP SERVER处获取其他的一些网络配置信息,如route ip,DNS Ip等,这种报文的应用非常少见。

  图DHCP14是一个运行IPCONFIG/RELEASE后释放IP的报文,从图中可以看出DHCP Message Type是7,他的作用是主动释放server分配给它的IP地址的报文,Server收到此报文后,就可以回收这个IP地址,能够分配给其他的Client。

  上面提到的都是在已经开机的情况下获得的报文,如果计算机重新启动,是不是完全按照文章提到的四步得到IP参数。看下面的图DHCP15

  其中包含关机前获得的IP=192.168.0.22,这是不同与前面提到的10.177.124.X段的IP。原来客户机保留了上一次获得的地址,客户机在重新启动时,如果租用期未超过50%,它就会认为它已经知道该与哪台DHCP服务器进行联系,于是就跳过前两步,并发送另一个DhcpRequest报文给同一个服务器。如果该IP地址仍然可用的话,该DHCP服务器将给这台客户机返回另一个确认消息。 同样,DHCP服务器上也会保留(在租用期内的)客户机的地址。如果你的DHCP服务器中的租用期设的足够长,你就会发现,重启一台客户机后,客户机总是得到同一个地址。这正是由于客户机、服务器能保存已分配地址所造成的。

  如果一台客户机未从该DHCP服务器获取过地址,或者它获得的地址已过期,那么它将需要经过全部四个步骤才能得到一个IP地址。

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