动态主机配置协议 DHCP

• 动态主机配置协议 DHCP
  • DHCP简介
    • 更多细节
    • 租期
    • 地址池
  • 经典网络
  • 报文分析
  • DHCP代理[OpenStack]
    • 使用Dnsmasq进程实现DHCP
  • DHCP - Docker
    • 安装环境
    • 模拟实践
  • Trunk端口
    • Trunk简介

DHCP简介

动态主机设置协议（英语：Dynamic Host Configuration Protocol，缩写：DHCP），又称动态主机组态协定，是一个用于IP网络的网络协议，位于OSI模型的应用层，使用 DHCP 协议工作，主要有两个用途：

—用于内部网或网络服务供应商自动分配IP地址给用户
—用于内部网管理员对所有电脑作中央管理

DHCP 用一台或一组 DHCP 服务器来管理网络参数的分配，这种方案具有容错性。即使在一个仅拥有少量机器的网络中，DHCP 仍然是有用的，因为一台机器可以几乎不造成任何影响地被增加到本地网络中。

甚至对于那些很少改变地址的服务器来说，DHCP 仍然被建议用来设置它们的地址。如果服务器需要被重新分配地址的时候，就尽可能不去做更改。对于一些设备，如路由器和防火墙，则不应使用DHCP。

DHCP 也可用于直接为服务器和桌面计算机分配地址，并且透过一个 PPP 代理，也可为拨接及宽带的主机，以及住宅 NAT 网关和路由器分配地址。DHCP 一般不适用于使用在无边际路由器和 DNS 服务器上。

更多细节

• DHCP是在BOOTP（Bootstrap Protocol）基础上发展而来，但BOOTP运行在相对静态（每台主机都有固定的网络连接）的环境中，管理员为每台主机配置专门的BOOTP参数文件，该文件会在相当长的时间内保持不变。DHCP从以下两方面对BOOTP进行了扩展：
  1. DHCP允许计算机动态地获取IP地址，而不是静态为每台主机指定地址。
  2. DHCP能够分配其他配置参数，例如客户端的启动配置文件，使客户端仅用一个消息就获取它所需要的所有配置信
     息。
     DHCP协议由RFC 2131定义，采用客户端/服务器通信模式，由客户端（DHCP Client）向服务器（DHCP Server）
     提出配置申请，服务器返回为客户端分配的配置信息。
     DHCP可以提供两种地址分配机制，网络管理员可以根据网络需求为不同的主机选择不同的分配策略。
• 动态分配机制：通过DHCP为主机分配一个有使用期限（这个使用期限通常叫做租期）的IP地址。
  这种分配机制适用于主机需要临时接入网络或者空闲地址数小于网络主机总数且主机不需要永久连接网络的场景。
• 静态分配机制：网络管理员通过DHCP为指定的主机分配固定的IP地址。
  相比手工静态配置IP地址，通过DHCP方式静态分配机制避免人工配置发生错误，方便管理员统一维护管理。
  DHCP受益主要有以下两点：
  1. 降低客户端的配置和维护成本
     DHCP易配置部署，对于非技术用户，DHCP能够将客户端与配置相关的操作降至最低，并能够降低远程部署和维
     护成本。
  2. 集中管理
     DHCP服务器可以管理多个网段的配置信息，当某个网段的配置发生变化时，管理员只需要更新DHCP服务器上的
     相关配置即可。

租期

DHCP服务器给每个分配给客户端的IP地址定义一个使用期限，该使用期限被称为租期。在租期到期前，DHCP客户端
如果仍需要使用该IP地址，可以请求延长租期；如果不需要，可以主动释放该IP地址。在没有其他空闲地址可用的情
况下，DHCP服务器会把客户端主动释放的IP地址分配给其他客户端。
DHCP服务器动态分配的所有IP地址都受租期时长的限制，不同的DHCP服务器配置的租期时长可以不同。静态分配的
IP地址不受租期时长的限制，使用期限为无限长。
DHCP客户端不会等到租期到期后再申请IP地址，这样会导致IP地址被服务器回收，然后分配给其他客户端。为保证能
够使用原来的IP地址，客户端会在租期到期前的某个时间点就开始申请延长租期。

地址池

地址池指的是DHCP服务器可以为客户端分配的所有IP地址的集合。除IP地址外，地址池内还可以配置租期、子网掩码、
默认网关等网络参数。在DHCP服务器为客户端分配IP地址时，这些网络参数也一并分配给客户端。
根据创建方式的不同，地址池可以分为基于接口方式的地址池和基于全局方式的地址池。

• 基于接口方式的地址池：在DHCP服务器与客户端相连的接口上配置IP地址，地址池是跟此接口地址所属同一网段
  的IP地址，且地址池中地址只能分配给此接口下的客户端。这种配置方式简单，仅适用于DHCP服务器与客户端在
  同一个网段的场景。
• 基于全局方式的地址池：在系统视图下创建指定网段的地址池，且地址池中地址可以分配给设备所有接口下的客户
  端。当DHCP服务器与客户端不在同一个网段时，需要部署DHCP中继。
  
  DHCP服务器依据是否部署DHCP中继来选择地址池。无DHCP中继场景下，DHCP服务器选择与接收DHCP请求报文
  的接口IP地址处于同一网段的地址池。有DHCP中继场景下，DHCP服务器选择与DHCP请求报文中giaddr字段（标识
  客户端所在网段）位于同一网段的地址池。
  根据客户端的数量和接入断开的时间、频率来确定地址池内需要部署的IP地址数量。
  根据IP地址的使用情况，地址池中的IP地址可以分为多种状态。

经典网络

一般的网络结构如下：

DHCP服务器

DHCP服务器负责从地址池中选择IP地址分配至DHCP客户端，还可以为DHCP客户端提供其他网络参数，如默认网关地址、
DNS服务器地址和WINS服务器地址。DHCP服务器可以接收处理来自本网段或跨网段由DHCP中继转发的DHCP请求报文。

DHCP客户端

DHCP客户端发送DHCP请求报文、通过BOOTP或DHCP协议请求获取IP地址等网络参数的设备。例如，IP电话、PC、手机、无
盘工作站等。

DHCP中继

DHCP中继负责转发DHCP服务器和DHCP客户端之间的DHCP报文，协助DHCP服务器向DHCP客户端动态分配网络参数的设备。
DHCP客户端广播发送请求报文（即目的IP地址为255.255.255.255），位于同一网段内的DHCP服务器能够接收请求报文。如果
DHCP客户端和DHCP服务器不在同一个网段，DHCP服务器无法接收来自客户端的请求报文，此时，需要通过DHCP中继来转发
DHCP报文。不同于传统的IP报文转发，DHCP中继接收到DHCP请求或应答报文后，会重新修改报文格式并生成一个新的DHCP
报文再进行转发。

报文分析

我们通过winshark来抓取DHCP的包。

从这上面我们可以发现有4种不同类型的包，但其实有8种类型。

DHCP报文中各个字段的含义：

DHCP代理[OpenStack]

大致所使用的流程如下：

使用Dnsmasq进程实现DHCP

# 使用 ovs bridge 连接 DHCP namespace interface。
interface_driver =neutron.agent.linux.interface.OVSInterfaceDriver
# 当创建 network 并在 subnet 上 enable DHCP 时，网络节点上的 DHCP agent 会启动一个 dnsmasq 进程为该 network 提供 DHCP 服务。
# 查看Controller上的DHCP Agent 进程
ps -ef | grep dnsmasq

# 查看子网
neutron subnet-list
ip netns
# 查看DHCP Agent的TAP
ip netns exec qdhcp-e2027b43-f621-4da7-ae24-fc59c5894ebe ip a 
# 查看ovs bridge上的dhcp server tap设备
ovs-vsctl show
# 当虚机孵化完成以后，此时虚机开机发起dhcp的discover消息，位于同一个vlan的都可以收到此广播消息

在创建 instance 时，Neutron 会为其分配一个 port，里面包含了 MAC 和 IP 地址信息。这些信息会同步更新到 dnsmasq 的 host 文件，所以我们会看到有read的动作。

DHCP - Docker

当Docker以桥接的方式启动容器时，容器内部的IP是经过DHCP获取的，例如：172.17.0.2/16，且每重启依次IP都会发生变动。

安装环境

# 拉取
sudo docker pull networkboot/dhcpd
# 安装openswatch
yum install -y https://www.rdoproject.org/repos/rdo-release.rpm
sudo yum install openvswitch libibverbs -y
sudo systemctl enable --now openvswitch
# 安装ovs-docker
wget http://github.com/openvswitch/ovs/raw/master/utilities/ovs-docker
chmod +x ovs-docker
mv ovs-docker /usr/bin/

模拟实践

接下来我们通过一台容器DHCP服务器，和三台ovs的交换机，与三台连接不同交换机的容器主机。

首先生成交换机vswitch0、vswitch1、vswitch2

sudo ovs-vsctl add-br vswitch0
sudo ovs-vsctl add-br vswitch1
sudo ovs-vsctl add-br vswitch2

创建veth pair v1与v2，并激活

sudo ip link add v1 type veth peer name v2
# 激活
sudo ip link set dev v1 up
sudo ip link set dev v2 up

给v1配置ip及子网掩码

sudo ifconfig v1 192.168.1.254 netmask 255.255.255.0

创建DHCP服务器，监听v1 ,挂载本地data文件夹，data里面中只有dhcpd.conf文件。

mkdir -p ~/emxbook/docker-dhcpd/data
vim ~/emxbook/docker-dhcpd/data/dhcpd.conf
sudo docker run -it \
--rm --net host \
--init \
--name=dhcpServer1 \
-v ~/emxbook/docker-dhcpd/data:/data \
networkboot/dhcpd v1

dhcpd.conf配置内容如下：

subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0 {
option routers 192.168.1.1;
option subnet-mask 255.255.255.0;
option domain-name "emx.local";
option domain-name-servers 8.8.8.8;
range 192.168.1.2 192.168.1.100;
}

将v2连接到交换机上。

sudo ovs-vsctl add-port vswitch0 v2

让交换机vswitch0、vswitch1、vswitch2彼此相连。

sudo ovs-vsctl add-port vswitch0 s0p0
sudo ovs-vsctl set Interface s0p0 type=patch
sudo ovs-vsctl set Interface s0p0 options:peer=s1p1
sudo ovs-vsctl add-port vswitch1 s1p1
sudo ovs-vsctl set Interface s1p1 type=patch
sudo ovs-vsctl set Interface s1p1 options:peer=s0p0
sudo ovs-vsctl add-port vswitch0 s0p1
sudo ovs-vsctl set Interface s0p1 type=patch
sudo ovs-vsctl set Interface s0p1 options:peer=s2p1
sudo ovs-vsctl add-port vswitch2 s2p1
sudo ovs-vsctl set Interface s2p1 type=patch
sudo ovs-vsctl set Interface s2p1 options:peer=s0p1

创建主机h1、h2、h3，并将其连接到交换机上，其中ubunut:5是添加了基本net-tools、isc-dhcp-client,创建的时候记得使用--cap-add=NET_ADMIN

sudo docker run -itd --network=none --name=h1 --cap-add=NET_ADMIN burlyluo/nettoolbox
sudo docker run -itd --network=none --name=h2 --cap-add=NET_ADMIN burlyluo/nettoolbox
sudo docker run -itd --network=none --name=h3 --cap-add=NET_ADMIN burlyluo/nettoolbox
sudo ovs-docker add-port vswitch0 eth1 h1
sudo ovs-docker add-port vswitch1 eth1 h2
sudo ovs-docker add-port vswitch2 eth1 h3

可以使用floot-light控制交换机vswitch0、vswitch1、vswitch2交换机（选择）

sudo ovs-vsctl set-controller vswitch0 tcp:127.0.0.1:6653
sudo ovs-vsctl set-controller vswitch1 tcp:127.0.0.1:6653
sudo ovs-vsctl set-controller vswitch2 tcp:127.0.0.1:6653

接着我们进入每一个容器，执行dhclient eth1来获取客户端的ip地址。最后ping 测试一下完全没问题。

docker exec -it h1 /bin/bash
ifconfig
dhclient eth1
ifconfig

当然我们还可以抓包尝试。

Trunk端口

Trunk简介

这个端口是交换机之间或者交换机和上层设备之间的通信端口，用于干道链路。这种端口的存在就是为了多个vlan的跨越交换机进行传递。
一个trunk端口可以拥有一个主vlan和多个副vlan。
在交换机之间传递tagged frame。允许多个VLAN通过，可以与PVID不同；
收到不带tagged frame的数据帧时，打上主PVID 并转发；
收到带tagged frame数据帧时，检查VLAN ID，如果允许并且VLAN ID与PVID相同，去掉tagged直接转发，如果允许并且VLAN ID与PVID不同，直接转发原数据帧。

# 使用docker创建四个不带网卡的容器
docker run -itd --network=none --name=vm01 --privileged centos:7 /bin/bash
docker run -itd --network=none --name=vm02 --privileged centos:7 /bin/bash
docker run -itd --network=none --name=vm03 --privileged centos:7 /bin/bash
docker run -itd --network=none --name=vm04 --privileged centos:7 /bin/bash
# 创建OVS网桥
ovs-vsctl add-port vswitch0
ovs-vsctl add-port vswitch1
# 使用ovs-docker工具给容器添加网卡到ovs网桥
ovs-docker add-port vswitch0 eth0 vm01 --ipaddress=192.168.1.2/24
ovs-docker add-port vswitch1 eth0 vm02 --ipaddress=192.168.1.3/24
ovs-docker add-port vswitch0 eth0 vm03 --ipaddress=192.168.1.4/24
ovs-docker add-port vswitch1 eth0 vm04 --ipaddress=192.168.1.5/24
# 链接vswitch0和vswitch1
ovs-vsctl add-port vswitch0 patch_to_vswitch1
ovs-vsctl add-port vswitch1 patch_to_vswitch0
ovs-vsctl set interface patch_to_vswitch1 type=patch
ovs-vsctl set interface patch_to_vswitch0 type=patch
ovs-vsctl set interface patch_to_vswitch0 options:peer=patch_to_vswitch1
ovs-vsctl set interface patch_to_vswitch1 options:peer=patch_to_vswitch0
# 查看配置情况
ovs-vsctl show
# 查看所对应的容器ID
ovs-vsctl list interface <xxxx> | grep container_id
ovs-vsctl list interface <xxxx> | grep container_id
ovs-vsctl list interface <xxxx> | grep container_id
ovs-vsctl list interface <xxxx> | grep container_id
# 找出相关vm所对应的id
vm01 tag 100
vm02 tag 100
vm03 tag 200
vm04 tag 200
# 打上相关tag标签
ovs-vsctl set port 8e1d9abd3ab64_l tag=100
ovs-vsctl set port 1cc95bf649264_l tag=100
ovs-vsctl set port c6df4ef55f864_l tag=200
ovs-vsctl set port 5be29191e0a14_l tag=200
# 设置网桥之间的patch端口的vlan模式为trunk
ovs-vsctl set port patch_to_vswitch1 VLAN_mode=trunk
ovs-vsctl set port patch_to_vswitch0 VLAN_mode=trunk
ovs-vsctl set port patch_to_vswitch0 trunk=100,200
ovs-vsctl set port patch_to_vswitch1 trunk=100,200
# 测试Trunk
ovs-ctl set port patch_to_vswitch0 trunk=200
ovs-vsctl set port patch_to_vswitch1 trunk=200
# 查看flow table
ovs-ofctl dump-flows vswitch0