今天這篇文章，很有意思，它來源于我曾經(jīng)的一次真實面試里的其中一個小問題。

當時是終面，面我的是那家公司的技術(shù)顧問，在面試前hr還讓我看了他的履歷，是一位1996年就進了麻省理工計算機系的大佬。

屬實有被震驚到，什么概念？1996年，沒記錯的話那是個用BP機和大哥大的年代？有幾個人能用上電腦？又有幾個人有這種機會能出國深造。

這是哪部爽文小說的主人公劇情？

就算放到現(xiàn)在，這也是非常強的事情。

我這輩子是沒希望了，也不知道我的兒子或者孫子輩有沒有機會能做到。

也就是說，這位大佬，至少領(lǐng)先了我兩代人。

那一天，我感受到了，那種跨越時代的碾壓感。

好了，不講騷話了，直接開始主題吧。

我們知道，如果你知道某臺電腦的IP，就可以向這個IP發(fā)起連接請求，建立連接后就可以操作收發(fā)數(shù)據(jù)。

五層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對應(yīng)的消息體變化分析

要發(fā)送的數(shù)據(jù)，會在網(wǎng)絡(luò)層里加入IP頭。

ip報頭

這里面最重要的是發(fā)送端和接收端的IP地址。這個IP地址就像是一個門牌號一樣，有了它，數(shù)據(jù)包就能在這個紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界里找到該由誰來接收這個數(shù)據(jù)包。

所以說上面的網(wǎng)絡(luò)通信離不開IP。

假設(shè)我有一臺新買的電腦，還沒聯(lián)網(wǎng)呢，這時候拿著新買的網(wǎng)線，插入網(wǎng)線口，網(wǎng)線插口亮起來了。

然后就可以開始用它上網(wǎng)了。

那么問題來了。

剛插上網(wǎng)線，電腦怎么知道自己的IP是什么？怎么就突然能上網(wǎng)了呢？

這個話題，我們從DHCP聊起吧。

DHCP是什么

插上網(wǎng)線之后，獲得IP的方式主要有兩種。

第一種是，自己手動在電腦里配。像下圖那樣，是macOS的一個截圖，在選擇手動配置之后，除了IP地址還需要配上子網(wǎng)掩碼和路由器的地址。

手動配IP

這就很不科學了，電腦又不只是賣給程序員，這幾個詞對于大部分普通人來說，比賦能抓手閉環(huán)這種黑話還要難理解。

大部分人沒事都不應(yīng)該去配這玩意。

有沒有辦法可以讓這些IP信息自動獲得？

有，這就是第二種獲取IP的方式，DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol，動態(tài)主機配置協(xié)議）。

DHCP自動生成IP

通過DHCP，在聯(lián)網(wǎng)之后可以自動獲取到本機需要的IP地址，子網(wǎng)掩碼還有路由器地址。

DHCP的工作原理

DHCP的工作原理也非常簡單。

說白了，就是向某個管IP分配的服務(wù)器，也就是DHCP服務(wù)器，申請IP地址。其實一般家里用的路由器就自帶這個功能。

整個操作流程分為4個階段。

DHCP協(xié)議

DHCP Discover：在聯(lián)網(wǎng)時，本機由于沒有IP，也不知道DHCP服務(wù)器的IP地址是多少，所以根本不知道該向誰發(fā)起請求，于是索性選擇廣播，向本地網(wǎng)段內(nèi)所有人發(fā)出消息，詢問"誰能給個IP用用"。

DHCP Offer：不是DHCP服務(wù)器的機子會忽略你的廣播消息，而DHCP服務(wù)器收到消息后，會在自己維護的一個IP池里拿出一個空閑IP，通過廣播的形式給回你的電腦。

DHCP Request：你的電腦在拿到IP后，再次發(fā)起廣播，就說"這個IP我要了"。

DHCP ACK：DHCP服務(wù)器此時再回復(fù)你一個ACK，意思是"ok的"。你就正式獲得這個IP在一段時間（比如24小時）里的使用權(quán)了。后續(xù)只要IP租約不過期，就可以一直用這個IP進行通信了。

到這里，問題來了

為什么要有第三和第四階段

大家有沒有發(fā)現(xiàn)，在Offer階段，其實你的機子就已經(jīng)拿到了IP了，為什么還要有后面的Request和ACK呢？是不是有些多此一舉？

這是因為本地網(wǎng)段內(nèi)，可能有不止一臺DHCP服務(wù)器，在你廣播之后，每個DHCP服務(wù)器都有可能給你發(fā)Offer。

本著先到先得的原則，你的機子一般會對第一個到的Offer響應(yīng)DHCP Request，目的是為了確認offer，在你確認Offer這段時間內(nèi)，DHCP服務(wù)器確認這個IP還沒被分出去，你才可以安心使用這個IP。

像不像你找工作的過程？

你海投簡歷（DHCP Discover），然后拿到了多個offer(DHCP Offer)。

這時候事情還沒完，你一般會跟HR說："你給我兩天時間，我要跟家里人商量下"。

HR也會對你說："那你盡快確認，我這邊還有不少候選人等著"。

之后你考慮下來覺得不錯，跟HR說要接這個Offer（DHCP Request），HR看了下這個崗位還在，才能確認讓你第二天來上班（DHCP ACK）。如果這個公司的崗位已經(jīng)招到其他候選人了，第四階段的消息就會改為發(fā)DHCP NAK，意思是拒絕了你的接Offer請求。

DHCP抓包

光看原理是有些枯燥，我們可以嘗試下抓包看下數(shù)據(jù)。

在命令行里執(zhí)行下面的命令，可以強行讓電腦的en0網(wǎng)卡重新走一遍DHCP流程。

sudoipconfigseten0DHCP

en0可以替換成其他網(wǎng)卡，比如eth0啥的。

這時候就可以抓到相關(guān)的數(shù)據(jù)包。

我們可以看到藍色的四個數(shù)據(jù)包，分別對應(yīng)上面提到的四個DHCP階段。

其中第二階段中的DHCP Offer里會返回給我們需要的IP、子網(wǎng)掩碼、路由器地址以及DNS服務(wù)器地址。

offer階段

另外，通過抓包，我們可以發(fā)現(xiàn)DHCP是應(yīng)用層的協(xié)議，基于傳輸層UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

那么問題又來了。

為什么DHCP用UDP，能不能改用TCP？

按道理說，UDP能做到的，TCP一般也能做到。但這次真不行。

主要原因還是因為TCP是面向連接的，而UDP是無連接的。

所謂"連接"，他就只有一個發(fā)送端和一個接收端，就跟水管一樣。

而DHCP由于一開始并不知道要跟誰建立連接，所以只能通過廣播的形式發(fā)送消息，注意，小細節(jié)，廣播。

廣播尋找DHCP服務(wù)器.drawio

同樣是在本地網(wǎng)段內(nèi)發(fā)廣播消息，UDP只需要發(fā)給255.255.255.255。它實際上并不是值某個具體的機器，而是一個特殊地址，這個地址有特殊含義，只要設(shè)了這個目的地址，就會在一定本地網(wǎng)段內(nèi)進行廣播。

而TCP卻不同，它需要先建立連接，但實際上255.255.255.255對應(yīng)的機器并不存在，因此也不能建立連接。如果同樣要做到廣播的效果，就需要先得到本地網(wǎng)段內(nèi)所有機器的IP，然后挨個建立連接，再挨個發(fā)消息。這就很低效了。

因此DHCP選擇了UDP，而不是TCP。

為什么第二階段不是廣播，而是單播。

另外一個小細節(jié)不知道大家注意到?jīng)]，上面在提到 DHCP Offer 階段時，提到的是DHCP服務(wù)器會使用廣播的形式回復(fù)。但抓個包下來卻發(fā)現(xiàn)并不是廣播，而是單播。

其實，這是DHCP協(xié)議的一個小優(yōu)化。原則上大家在DHCP offer階段，都用廣播，那肯定是最穩(wěn)的，目標機器收到后自然就會進入第三階段DHCP Request。而非目標機器，收到后解包后發(fā)現(xiàn)目的機器的mac地址跟自己的不同，也會丟掉這個包。

但是問題就出在，這個非目的機器需要每次都在網(wǎng)卡收到包，并解完包，才發(fā)現(xiàn)原來這不是給它的消息，這。。。真，有被打擾到。

如果本地網(wǎng)段內(nèi)這樣的包滿天飛，也浪費機器性能。

如果能用單播，那當然是最好的。但這時候目的機器其實并沒有IP地址，有些系統(tǒng)在這種情況下能收單播包，有些則認為不能收，這個跟系統(tǒng)的實現(xiàn)有關(guān)。因此，對于能收單播包的系統(tǒng)，會在發(fā)DHCP Discover階段設(shè)一個Broadcast flag = 0 (unicast)的標志位，告訴服務(wù)器，支持單播回復(fù)，于是服務(wù)器就會在DHCP Offer階段以單播的形式進行回復(fù)。

Discover要求使用單播回復(fù)

是不是每次聯(lián)網(wǎng)都要經(jīng)歷DHCP四個階段？

只要想聯(lián)網(wǎng)，就需要IP，要用IP，就得走DHCP協(xié)議去分配。

但大家也發(fā)現(xiàn)了，DHCP第一階段和第二階段都可能會發(fā)廣播消息。對于家用電腦還好，插個網(wǎng)線，之后就雷打不動。但像手機這樣的移動設(shè)備，是要帶著到處跑的，坐個地鐵，進個電梯，公司里到處走走，都可能會涉及到網(wǎng)絡(luò)切換。

這每次都要來一個完整的四階段，各種廣播消息滿天飛，其實對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不太友好。

于是問題叒來了，是不是每次聯(lián)網(wǎng)都要經(jīng)歷DHCP四個階段？

當然不需要。

我們會發(fā)現(xiàn)每次斷開wifi再打開wifi時，機子會經(jīng)歷一個從沒網(wǎng)到有網(wǎng)的過程。

這時候去抓個包，會發(fā)現(xiàn)。

其實只發(fā)生了DHCP的第三和第四階段。這是因為機子記錄了曾經(jīng)使用過 192.168.31.170這個IP，重新聯(lián)網(wǎng)后，會優(yōu)先再次請求這個IP，這樣就省下了第一第二階段的廣播了。

另外需要注意的是，抓包圖里DHCP Request之所以出現(xiàn)兩次，是因為第一次Request發(fā)出后太久沒得到回應(yīng)，因此重發(fā)。

DHCP分配下來的IP一定不會重復(fù)嗎？

一般來說DHCP服務(wù)器會在它維護的IP池里找到一個沒人用的IP分配給機子，

這個IP如果重復(fù)分配了，那本地網(wǎng)段內(nèi)就會出現(xiàn)兩個同樣的IP，這個IP下面卻對應(yīng)兩個不同的mac地址。但其他機器上的ARP緩存中卻只會記錄其中一條mac地址到IP的映射關(guān)系。

于是，數(shù)據(jù)在傳遞的過程中就會出錯。

因此本地網(wǎng)段內(nèi)IP必須唯一。

那么DHCP分配下來的IP有沒有可能跟別的IP是重復(fù)的？

都這么問了，那肯定是可能的。

有兩個常見的情況會出現(xiàn)IP重復(fù)。

文章開頭提到，IP是可以自己手動配的，自己配的IP是有可能跟其他DHCP分配下來的IP是相同的。解決方案也很簡單，盡量不要手動去配IP，統(tǒng)一走DHCP?；蛘咴贒HCP服務(wù)器里維護的IP范圍里，將這條IP剔除。

一個本地網(wǎng)段內(nèi)，是可以有多個DHCP服務(wù)器的，而他們維護的IP地址范圍是有可能重疊的，于是就有可能將相同的IP給到不同的機子。解決方案也很簡單，修改兩臺DHCP服務(wù)器的維護的IP地址范圍，讓它們不重疊就行了。

不過吧，上面的解決方案，都需要有權(quán)限去修改DHCP服務(wù)器。

得到DHCP ACK之后立馬就能使用這個IP了嗎？

這就好像在問，拿到offer之后你是第一時間就去上班嗎？

不。

你會先告訴你的同事同學朋友，甚至會發(fā)朋友圈。

你的機子也一樣。

在得到DHCP ACK之后，機子不會立刻就用這個IP。

而是會先發(fā)三條ARP消息。

大家知道ARP消息的目的是通過IP地址去獲得mac地址。所以普通的ARP消息里，是填了IP地址，不填mac地址的。

但這三條ARP協(xié)議，比較特殊，它們叫無償ARP（Gratuitous ARP），特點是它會把IP和mac地址都填好了，而且填的還是自己的IP和mac地址。

目的有兩個。

一個是為了告訴本地網(wǎng)段內(nèi)所有機子，從現(xiàn)在起，xx IP地址屬于xx mac地址，讓大家記錄在ARP緩存中。

另一個就是看下本地網(wǎng)段里有沒有其他機子也用了這個IP，如果有沖突的話，那需要重新再走一次DHCP流程。

在三次無償ARP消息之后，確認沒有沖突了，才會開始使用這個IP地址進行通信。

總結(jié)

電腦插上網(wǎng)線，聯(lián)網(wǎng)后會通過DHCP協(xié)議動態(tài)申請一個IP，同時獲得子網(wǎng)掩碼，路由器地址等信息。

DHCP分為四個階段，分別是 Discover，Offer， Request和ACK。如果曾經(jīng)連過這個網(wǎng)，機器會記錄你上次使用的IP，再次連接時優(yōu)先使用原來的那個IP，因此只需要經(jīng)歷第三第四階段。

DHCP是應(yīng)用層協(xié)議，考慮到需要支持廣播功能，底層使用的是UDP協(xié)議，而不是TCP協(xié)議。

DHCP分配下來的IP是有可能跟某臺手動配置的IP地址重復(fù)的。

DHCP得到IP之后還會發(fā)3次無償ARP通告，在確認沒有沖突后開始使用這個IP。

最后給大家留個問題吧。我們上面的IP都是從DHCP服務(wù)器上申請的，在服務(wù)器返回DHCP Offer的時候，可以看到上面寫了DHCP服務(wù)器的IP。比如192.168.31.1，這明顯是個局域網(wǎng)內(nèi)的IP，但這能說明，你的DHCP服務(wù)器一定在這個局域網(wǎng)里嗎？

審核編輯 ：李倩