重学计算机网络(三) - DHCP & IP的"孽缘"-阿里云开发者社区

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重学计算机网络(三) - DHCP & IP的"孽缘"

简介: 和其他机器通讯,就需要一个通讯地址,要给网卡配置这么一个地址。 1 配置IP地址 可以使用ifconfig,也可以使用ip addr。设置好了以后,用这两个命令,将网卡up一下,就可以开始工作了。 1.

和其他机器通讯,就需要一个通讯地址,要给网卡配置这么一个地址。

1 配置IP地址

可以使用ifconfig,也可以使用ip addr。设置好了以后,用这两个命令,将网卡up一下,就可以开始工作了。

1.1 net-tools

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

1.2 iproute2

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

如果配置的是一个和谁都不搭嘎的地址呢?

例如,旁边的机器都是192.168.1.x,我非得配置一个16.158.23.6,会出现什么现象呢?

不会出现任何现象,就是包发不出去呗

为什么发不出去呢?

192.168.1.6 就在你这台机器的旁边,甚至在同一交换机,而你把机器的地址设为 16.158.23.6

在这台机器上,你企图去ping _192.168.1.6_,觉得只要将包发出去,同一个交换机的另一台机器马上就能收到,是嘛?

可Linux不是这样的,没你想得那么智能

你用肉眼看到那台机器就在旁边,它则需要根据自己的逻辑处理

只要是在网络上跑的包,都是完整的,可以有下层没上层,绝对不可能有上层没下层

所以,它有自己的源IP地址 _16.158.23.6_,也有目标IP地址 _192.168.1.6_,但包发不出去,这是因为MAC层还没填

自己的MAC地址自己知道,但目标MAC填啥呢?

是不是填 192.168.1.6 机器的MAC地址呢?

当然不是!

Linux会判断要去的这个地址和我是一个网段吗,或者和我的一个网卡是同一网段吗?

只有是一个网段的,它才会发送ARP请求,获取MAC地址

如果发现不是呢?

Linux默认的逻辑,如果这是一个跨网段的调用,它不会直接将包发送到网络上,而是将包发送到网关

如果配置了网关,Linux会获取网关的MAC地址,然后将包发出去

对于 192.168.1.6 机器,虽然路过家门的这个包,目标IP是它,但是无奈MAC地址不是它的,所以它的网卡是不会把包收进去的

如果没有配置网关呢

那包压根就发不出去

如果将网关配置为 192.168.1.6 呢?

不可能,Linux不会让你配置成功

因为 网关要和当前的网络至少一个网卡是同一个网段

怎能允你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管

如果在机房里面,要去网管那申请,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

2 DHCP - 动态主机配置协议

配置IP后一般不能变,配置一个服务端的机器还可以,但如果是客户端的机器呢?

我抱着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。

需要有一个自动配置的协议,即动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol),简称DHCP

那网管就轻松多了。只需要配置一段共享的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

等用完了,还回去,这样其他的机器也能用。

**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。**

3 DHCP的工作方式

当一台机器新加入一个网络的时候,肯定啥情况都不知道,只知道自己的MAC地址

怎么办?先吼一句,我来啦,有人吗?这时候的沟通基本靠“吼”

这一步,我们称为DHCP Discover。

新来的机器使用IP地址 0.0.0.0 发送了一个广播包,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,但是如果去抓包的话,很可能看到的名称还是BOOTP协议

在广播包里,新人大喊: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!

  • 格式就像

如果一个网管在网络里面配置了DHCP Server,他就相当于这些IP的管理员

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。

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。

新来的机器很开心,它的“吼”得到了回复,并且有人愿意租给它一个IP地址了,这意味着它可以在网络上立足了

当然更令人开心的是,如果有多个DHCP Server,这台新机器会收到多个IP地址,简直受宠若惊!!!

它会选择其中一个DHCP Offer,一般是最先到达的那个,并且会向网络发送一个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

还没得到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

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

既然是租房子,就是有租期的。租期到了,管理员就要将IP收回。

如果不用的话,收回就收回了。就像你租房子一样,如果还要续租的话,不能到了时间再续租,而是要提前一段时间给房东说

DHCP也是这样

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。

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)

数据中心里面的管理员可能一下子就拿到几百台空的机器,一个个安装操作系统,会累死的。

所以管理员希望的不仅仅是自动分配IP地址,还要自动安装系统。装好系统之后自动分配IP地址,直接启动就能用了

安装操作系统,应该有个光盘吧。数据中心里不能用光盘吧,想了一个办法就是,可以将光盘里面要安装的操作系统放在一个服务器上,让客户端去下载

但是客户端放在哪里呢?它怎么知道去哪个服务器上下载呢?客户端总得安装在一个操作系统上呀,可是这个客户端本来就是用来安装操作系统的呀?

其实,这个过程和操作系统启动的过程有点儿像。

  • 首先,启动BIOS,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
  • 再将权力交给内核
  • 最后内核启动,初始化整个操作系统。

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),PXE

PXE协议分为客户端和服务器端,由于还没有操作系统,只能先把客户端放在BIOS里面

当计算机启动时,BIOS把PXE客户端调入内存里面,就可以连接到服务端做一些操作了。

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。PXE客户端有了自己的地址,那它怎么知道PXE服务器在哪里呢?对于其他的协议,都好办,要么人告诉他

例如,告诉浏览器要访问的IP地址,或者在配置中告诉它;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

启动PXE客户端

通过DHCP协议告诉DHCP Server,我,穷b,打钱!

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

初始化机器

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

便开始下载(TFTP协议),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

执行文件

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。

启动Linux内核

一旦启动了操作系统,以后就啥都好办了

总结

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。

参考

  • 趣谈网络协议

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