网络笔记(4) DHCP与PXE：IP是怎么来的，又是怎么没的？

╰半橙微兮° 2022-02-03 05:39 253阅读 0赞

如何配置 IP 地址？

使用 ifconfig/ ip addr。将网卡 up 一下ok

**使用 net-tools：**

> $ sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24  
> $ sudo ifconfig eth1 up

**使用 iproute2：**

> $ sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1
> 
> $ sudo ip link set up eth1

旁边的机器都是 192.168.1.x，配置一个 16.158.23.6，包发不出去， Linux 没你想得那么智能。

**网络上跑的包，都是完整的，可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。**

包发不出去，这是因为 MAC 层还没填。只有是一个网段的，发送 ARP 请求，获取 MAC 地址。如果发现不是呢？

**Linux 默认的逻辑是，如果这是一个跨网段的调用，它便不会直接将包发送到网络上，而是企图将包发送到网关。**

配置了网关的话，Linux 会获取网关的 MAC 地址，将包发出去。192.168.1.6 这台机器来讲，目标 IP 是它， MAC 地址不是它的，它的网卡不收包。**没有配置网关，包发不出去。**

网关配置为 192.168.1.6 呢？不成功，网关要和网卡是**同一个网段**的，怎么可能 16.158.23.6 的网关是 192.168.1.6 呢？

所以，当你需要手动配置一台机器的网络 IP 时，一定要好好问问你的网络管理员。如果在机房里面，要去网络管理员那里申请，让他给你分配一段正确的 IP 地址。当然，真正配置的时候，一定不是直接用命令配置的，而是放在一个配置文件里面。**不同系统的配置文件格式不同，但是无非就是 CIDR、子网掩码、广播地址和网关地址**。

# 动态主机配置协议（DHCP） #

一台笔记本电脑在公司里走来走去，或者白天来晚上走，每次使用都要配置 IP 地址，那可怎么办？还有人事、行政等非技术人员，如果公司所有的电脑都需要 IT 人员配置，肯定忙不过来啊。

需要自动配置的协议，也就是称**动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol）**，简称**DHCP**。

**共享 IP 地址**。每一台新接入的机器都通过 DHCP 协议，来这个共享的 IP 地址里申请，然后自动配置好就可以了。等人走了，或者用完了，还回去，这样其他的机器也能用。

**如果是数据中心里面的服务器，IP 一旦配置好，基本不会变，这就相当于买房自己装修。DHCP 的方式就相当于租房。你不用装修，都是帮你配置好的。你暂时用一下，用完退租就可以了。**

# 解析 DHCP 的工作方式 #

机器新加入网络，只知道自己的 MAC 地址。怎么办？先吼一句，我来啦，有人吗？称为**DHCP Discover。**

新来的机器使用 IP 地址 0.0.0.0 发送一个广播包，目的 IP 地址为 255.255.255.255。广播包封装了 UDP，**UDP 封装了 BOOTP**。

其实 DHCP 是 BOOTP 的增强版，去抓包的话，看到的名称是 BOOTP 协议。

广播包里面，新人大声喊：我是新来的（Boot request），我的 MAC 地址是这个，我**还没有 IP**，谁能给租给我个 IP 地址！

![img][]

格式

如果一个网络管理员在网络里面配置了**DHCP Server**的话，他就相当于这些 IP 的管理员。他立刻能知道来了一个“新人”。这个时候，我们可以体会 MAC 地址唯一的重要性了。当一台机器带着自己的 MAC 地址加入一个网络的时候，MAC 是它唯一的身份，如果连这个都重复了，就没办法配置了。

只有 MAC 唯一，IP 管理员才能知道这是一个新人，需要租给它一个 IP 地址，这个过程我们称为**DHCP Offer**。同时，DHCP Server 为此客户保留为它提供的 IP 地址，从而不会为其他 DHCP 客户分配此 IP 地址。

DHCP Offer 的格式就像这样，里面有给新人分配的地址。

![img][img 1]

DHCP Server 仍然使用广播地址作为目的地址，因为，此时请求分配 IP 的新人还没有自己的 IP。DHCP Server 回复说，我分配了一个可用的 IP 给你，你看如何？除此之外，服务器还发送了子**网掩码、网关和 IP 地址租用期**等信息。

多个 DHCP Server，会收到多个 IP 地址，选择最先到达的那个，向网络发送一个 DHCP Request 广播数据包，包中包含客户端的 MAC 地址、接受的租约中的 IP 地址、提供此租约的 DHCP 服务器地址等，并告诉所有 DHCP Server 它将接受哪一台服务器提供的 IP 地址，告诉其他 DHCP 服务器，谢谢你们的接纳，并请求撤销它们提供的 IP 地址，以便提供给下一个 IP 租用请求者。

此时，没有得到 DHCP Server 的最后确认，客户端仍然使用 **0.0.0.0** 为源 **IP 地址**、255.255.255.**255** 为目标地址进行**广播**。在 BOOTP 里面，接受某个 DHCP Server 的分配的 IP。

当 DHCP Server 接收到客户机的 DHCP request 之后，会广播返回给客户机一个 DHCP ACK 消息包，表明已经接受客户机的选择，并将这一 IP 地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入该广播包，发给客户机，欢迎它加入网络大家庭。

![img][img 2]

最终租约达成的时候，还是需要广播一下，让大家都知道。

# IP 地址的收回和续租 #

租期到了 IP 收回。

DHCP续租，提前说

客户机会在租期**过去 50%** 的时候，直接向为其提供 IP 地址的 DHCP Server 发送 DHCP request 消息包。客户机接收到该服务器回应的 DHCP ACK 消息包，会根据包中所提供的新的租期以及其他已经更新的 TCP/IP 参数，更新自己的配置。这样，IP 租用更新就完成了。

细节：网络管理员不仅能自动分配 IP 地址，还能帮你自动安装操作系统！

# 预启动执行环境（PXE） #

笔记本电脑自带系统，和数据中心里不一样。**自动装好系统**之后**自动分配 IP** 地址，启动，最好了！

启动 BIOS。特别小的小系统，读取硬盘的 MBR 启动扇区，将 GRUB 启动起来；然后将权力交给 GRUB，GRUB 加载内核、加载作为根文件系统的 initramfs 文件；然后将权力交给内核；最后内核启动，初始化整个操作系统。

那我们安装操作系统的过程，只能插在 BIOS 启动之后了。因为没安装系统之前，连启动扇区都没有。因而这个过程叫做**预启动执行环境（Pre-boot Execution Environment）**，简称**PXE。**

PXE 协议分为客户端和服务器端，没有操作系统，只能先把客户端放在 BIS 里面。启动时，BIOS 把 PXE 客户端调入内存里面，连接到服务端操作。

首先，PXE 客户端自己也需要有个 IP 地址。因为 PXE 的客户端启动起来，就可以发送一个 DHCP 的请求，让 DHCP Server 给它分配一个地址。怎么知道 PXE 服务器在哪里呢？人告诉他，浏览器要访问的 IP 地址，配置中告诉它；例如，微服务之间的相互调用。

但是 PXE 客户端启动的时候，啥都没有。好在 DHCP Server 除了分配 IP 地址以外，还可以做一些其他的事情。这里有一个 DHCP Server 的一个样例配置：

> ddns-update-style interim;  
> ignore client-updates;  
> allow booting;  
> allow bootp;  
> subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0  
> \{  
> option routers 192.168.1.1;  
> option subnet-mask 255.255.255.0;  
> option time-offset -18000;  
> default-lease-time 21600;  
> max-lease-time 43200;  
> range dynamic-bootp 192.168.1.240 192.168.1.250;  
> filename “pxelinux.0”;  
> next-server 192.168.1.180;  
> \}

按照上面的原理，默认的 DHCP Server 是需要配置的，无非是我们配置 IP 的时候所需要的 IP 地址段、子网掩码、网关地址、租期等。如果想使用 PXE，则需要配置 next-server，指向 PXE 服务器的地址，另外要配置初始启动文件 filename。

这样 PXE 客户端启动之后，发送 DHCP 请求之后，除了能得到一个 IP 地址，还可以知道 PXE 服务器在哪里，也可以知道如何从 PXE 服务器上下载某个文件，去初始化操作系统。

解析 PXE 的工作过程

**详细 PXE 的工作过程。**

首先，启动 PXE 客户端。第一步是通过 DHCP 协议告诉 DHCP Server，我刚来，一穷二白，啥都没有。DHCP Server 便租给它一个 IP 地址，同时也给它 PXE 服务器的地址、启动文件 pxelinux.0。

其次，PXE 客户端知道要去 PXE 服务器下载这个文件后，就可以**初始化机器**。于是便开始下载，**下载**的时候使用的是 TFTP 协议。所以 PXE 服务器上，往往还需要有一个 **TFTP 服务器**。PXE 客户端向 TFTP 服务器请求下载这个文件，TFTP 服务器说好啊，于是就将这个文件传给它。

然后，PXE 客户端收到这个文件后，就开始执行这个文件。这个文件会指示 PXE 客户端，向 TFTP 服务器请求计算机的配置信息 pxelinux.cfg。TFTP 服务器会给 PXE 客户端一个配置文件，里面会说内核在哪里、initramfs 在哪里。PXE 客户端会请求这些文件。

最后，启动 Linux 内核。一旦启动了操作系统，以后就啥都好办了。

![img][img 3]

# 小结 #

好了，这一节就到这里了。我来总结一下今天的内容：

**DHCP** 协议主要是用来给客户**租用 IP 地址**，和房产中介很像，要商谈、签约、续租，广播还不能“抢单”；

DHCP 协议能给客户推荐“**装修队”PXE**，能够安装操作系统，这个在云计算领域大有用处。

思考题：

PXE 协议可以用来安装操作系统，每次重启都安装操作系统。你知道如何使得第一次安装操作系统，后面就正常启动吗？

连上 WIFI， DHCP 分配一个 IP 地址，可上网。

来源:

1.  刘超-趣谈网络协议系列课；

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