常见协议之 ARP 与 DHCP

一、ARP

ARP 即地址解析协议，用于将 IP 地址解析为 MAC 地址，来建立逻辑地址到物理地址的映射。

发送方将 IP 报文封装为帧时，需要知道接收方的 MAC 地址。如下图所示，发送方先查找本地 ARP 缓存是否存在目的 IP 地址或下一跳的 MAC 地址记录，若没有记录，就会广播 ARP Request 报文，询问接收方的 MAC 地址，接收方具有目的 IP 地址，将会以单播的形式响应，告知自己的 MAC 地址，同时记录发送方的 IP 地址和 MAC 地址。

除了解析地址，ARP 还用于探测局域网中IP地址是否存在。对于 IPv4 网络，kernel 会定时向指定 IP 发送单播的 ARP Request 报文，通常是 1 分钟发送 3 个，若所有请求都没有收到 ARP Response 报文，内核判定探测的 IP 地址在网络中已不可达，通过 netlink 向用户空间报告 IP 地址不可达的事件。

二、DHCP

IPv4 网络常使用 DHCP 进行 IP 地址分配，DHCP 交换过程分为四步，就像下图这样：

1. 客户端请求 IP 地址时，在局域网中广播一个 DHCPDISCOVER 报文，源地址为 0.0.0.0，目的地址为 255.255.255.255，即 IP 广播地址；
2. DHCP 服务器收到后以广播的方式回复 DHCPOFFER 报文，包含服务器 IP 地址、地址池中可以分配的 IP 地址，以及其他 DHCP 配置信息；
3. 网络中可能存在多个 DHCP 服务器，客户端收到第一个 DHCPOFFER 报文后便不再接受其他 DHCPOFFER 报文，广播 DHCPREQUEST 报文，向指定的 DHCP 服务器请求 IP 地址；
4. DHCP 服务器返回 DHCPACK 报文，确认 IP 地址分配，依然是广播的方式，若收到 DHCPREQUEST 报文时被申请的 IP 已被分配，则发送 DHCPDECLINE 报文告知 IP 已不可用。

客户端收到后 DHCPACK 后，IP 地址配置完成，可以进行 IP 通信。客户端可以随时发送 DHCPRELEASE 报文释放 IP 地址，服务端收到后回收 IP 地址。如果客户端请求的 IP 地址不可用，DHCP 服务器会响应 DHCPNAK，客户端会重新开始 DHCP 交换流程。

通过 DHCP 分配的 IP 地址是有租期的，客户端需要定期发起续租，续租过程分为 renew 和 rebind 两个阶段，客户端维护两个计时器 T1 和 T2，分别对应 renew 和 rebind，计时结束时启动相应阶段的续租流程。下面是 DHCP 续租流程：

• T1 结束时，客户端向与 IP 地址配置绑定的 DHCP 服务器单播 DHCPREQUEST 报文，请求获取相同的配置，若该 DHCP 服务器响应 DHCPACK 报文，则续租完成，T1 和 T2 重新计时，否则重新发送 DHCPREQUEST 报文，直到 T2 结束。
• T2 结束，意味着指定的 DHCP 服务器不可访问，此时客户端广播 DHCPREQUEST 报文，网络中的其他 DHCP 服务器响应 DHCPACK，续租完成，T1、T2 重新计时，否则重复广播 DHCPREQUEST 报文，直至租期结束。
• 如果租期结束，或者客户端收到了 DHCPNAK 报文，则续租失败，客户端发起新的 DHCP 地址申请流程。