DHCP 服务器如何为主机动态分配 IP 地址？

DHCP（动态主机配置协议）是一种使用在网络中的协议，它允许计算机在加入网络时自动获得 IP 地址及其他相关配置信息，而无需手工配置。

DHCP 服务器为主机动态分配 IP 地址的过程如下：

1. 当一个主机连接到网络上时，它会尝试向 DHCP 服务器发送一个 DHCP 请求报文。

2. DHCP 服务器接收到 DHCP 请求报文后，会尝试为该主机分配一个可用的 IP 地址。如果该 DHCP 服务器无法为该主机分配 IP 地址，它会向其它 DHCP 服务器发送 DHCP 请求报文。

3. 如果 DHCP 服务器可以为该主机分配一个 IP 地址，则它会将 IP 地址及其他相关配置信息，如子网掩码、网关、DNS 服务器等，封装在一个 DHCP 响应报文中，并发送给该主机。

4. 该主机接收到 DHCP 响应报文后，将配置信息进行解析，并将所分配的 IP 地址和相关信息应用到系统上。

5. 主机使用分配到的 IP 地址进行网络通信，直至它从网络上断开连接或分配的 IP 地址租期到期。

在 DHCP 服务器中，管理员可以配置 IP 地址池，以确定 DHCP 服务器可以分配的 IP 地址的范围。还可以配置不同的租期，以指定 DHCP 服务器分配的 IP 地址可用的时间。

使用 DHCP 服务器可以使网络的管理变得更加方便和安全，因为它可以确保每个主机都有唯一的 IP 地址，而且管理员可以轻松地更新网络配置信息，而不必手动重新配置每个主机。

代码示例

DHCP 服务器的实现需要根据具体的编程语言和操作系统来进行。以下是一个简单的 Python 代码示例，用于实现一个 DHCP 服务器。该示例使用了 Python 的 Socket 模块进行 UDP 数据包的收发。

import socket

# DHCP 服务器 IP 地址和端口号
SERVER_IP = '0.0.0.0'
SERVER_PORT = 67

# DHCP 服务器配置信息
DEFAULT_LEASE_TIME = 3600
MAX_LEASE_TIME = 86400

# IP 地址池
IP_POOL = ['192.168.1.%d' % i for i in range(100, 201)]
IP_LEASES = {}

# 创建 UDP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.bind((SERVER_IP, SERVER_PORT))

# 接收 DHCP 请求报文
while True:
    data, client_addr = sock.recvfrom(1024)
    print('Received DHCP request from', client_addr)

    # 解析 DHCP 请求报文
    message_type = data[0]
    client_mac = data[28:34]

    # 查找该主机是否已分配过 IP 地址
    ip_address = IP_LEASES.get(client_mac)

    if ip_address is None:
        # 该主机是第一次连接，为它分配一个 IP 地址
        for ip in IP_POOL:
            if ip not in IP_LEASES.values():
                ip_address = ip
                break

        if ip_address:
            # 将分配的 IP 地址加入 IP 地址池
            IP_LEASES[client_mac] = ip_address
            print('Assigned IP address %s to %s' % (ip_address, client_mac.hex()))
        else:
            print('No available IP address for', client_mac.hex())
            continue

    # 构造 DHCP 响应报文
    dhcp_options = bytearray()
    dhcp_options.extend(bytes([53, 1, 2]))     # DHCP message type: Offer
    dhcp_options.extend(bytes([54, 4]))        # DHCP server identifier
    dhcp_options.extend(socket.inet_aton(SERVER_IP))
    dhcp_options.extend(bytes([51, 4]))        # IP address lease time
    dhcp_options.extend(bytes([DEFAULT_LEASE_TIME >> 24 & 0xFF, DEFAULT_LEASE_TIME >> 16 & 0xFF, DEFAULT_LEASE_TIME >> 8 & 0xFF, DEFAULT_LEASE_TIME & 0xFF]))
    dhcp_options.extend(bytes([1, 4]))         # Subnet mask
    dhcp_options.extend(socket.inet_aton('255.255.255.0'))
    dhcp_options.extend(bytes([3, 4]))         # Router
    dhcp_options.extend(socket.inet_aton('192.168.1.1'))
    dhcp_options.extend(bytes([6, 8]))         # DNS server
    dhcp_options.extend(socket.inet_aton('8.8.8.8'))
    dhcp_options.extend(socket.inet_aton('8.8.4.4'))
    dhcp_options.extend(bytes([255]))         # End

    dhcp_packet = bytearray()
    dhcp_packet.extend(bytes([2]))            # Ethernet
    dhcp_packet.extend(bytes([1]))            # Hardware address type: Ethernet
    dhcp_packet.extend(bytes([6]))            # Hardware address length: 6
    dhcp_packet.extend(bytes([0] * 16))       # Hops
    dhcp_packet.extend(bytes([0x01, 0x02, 0x03, 0x04]))     # Transaction ID
    dhcp_packet.extend(bytes([0, 0]))          # Seconds, unused
    dhcp_packet.extend(bytes([0, 0]))          # Bootp flags
    dhcp_packet.extend(bytes([0, 0, 0, 0]))    # Client IP address
    dhcp_packet.extend(socket.inet_aton(ip_address))   # Your IP address
    dhcp_packet.extend(bytes([0, 0, 0, 0]))    # Next server IP address
    dhcp_packet.extend(bytes([0, 0, 0, 0]))    # Relay agent IP address
    dhcp_packet.extend(client_mac)             # Client MAC address
    dhcp_packet.extend(bytes([0] * 10))        # Client hardware address padding
    dhcp_packet.extend(bytes([0] * 192))       # Server host name
    dhcp_packet.extend(bytes([0] * 4))         # Boot file name
    dhcp_packet.extend(bytes([0] * 58))        # Vendor-specific information
    dhcp_packet.extend(bytes([0x63, 0x82]))    # Magic cookie
    dhcp_packet.extend(dhcp_options)           # DHCP options

    # 发送 DHCP 响应报文
    sock.sendto(dhcp_packet, client_addr)
    print('Sent DHCP offer to', client_addr)

说明：

该代码示例实现了一个简单的 DHCP 服务器，它可以响应 DHCP 请求报文，并分配一个可用的 IP 地址给请求方。其中，IP 地址池使用了一个简单的列表，可以按需进行修改。

该示例使用了 Python 的 Socket 模块实现了一个 UDP 套接字，在服务器启动后会不断监听网络上的 DHCP 请求报文。当收到一个 DHCP 请求报文时，服务器会解析该报文，并根据 IP 地址池中的可用地址分配一个地址给请求方。然后，服务器会构造 DHCP 响应报文并发送给请求方，告知他们已分配的 IP 地址及其他相关配置信息。