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DHCP

第 14 章

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本章重點 14-1 DHCP 的基礎知識 14-2 DHCP 運作流程 14-3 DHCP 封包格式 14-4 實作練習：擷取 DHCP 封包

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DHCP 在 TCP/IP 的網路中 , 每一台電腦都必須有至少一個 IP 位址 , 而且這個 IP 位址必須是唯一的 , 不可和網路中其它電腦重複！因此 , 對於網路管理員而言 , 如何確保每台電腦 IP 位址的唯一性 , 實在是讓人傷透腦筋。

另外 , 如果要變更 TCP/IP 的相關設定時 , 也必須到每台電腦去修改。如果網路中只有一、二十台電腦 , 這尚可接受； 但若是上百台電腦的網路 , 要如何維護每台電腦的 TCP/IP 設定 , 絕對是個令人頭疼的問題。

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DHCP DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol, 動態主機設定協定 ) 的出現 , 可以有效解決這個問題。 DHCP 可以動態的分配 IP 位址給網路上的每台電腦 , 而且也能指定 TCP/IP 的其它參數 , 大幅減少網路管理員的負擔。

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14-1 DHCP 的基礎知識 14-1-1 DHCP 原理 14-1-2 採用 DHCP 服務的優點

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14-1-1 DHCP 原理 當 DHCP 用戶端開機時 , 會透過廣播方式尋找

DHCP 伺服器並要求指派 IP 位址 , 這時伺服器就會傳回一個尚未被使用的 IP 位址 , 同時也可以將相關參數一併傳送給用戶端。

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DHCP 原理 當 DHCP 用戶端獲得一個 IP 位址時 , 並不能永久使用 ( 除非 DHCP 伺服器有特別設定 ) 。在正常的情況下 , 每個分配給 DHCP 用戶端的 IP 位址都有使用期限 , 這個期限就是 IP 位址的租約期限 (Lease Time) 。租約期限長短是依各家的 DHCP 伺服器而異。

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14-1-2 採用 DHCP 服務的優點 DHCP 服務的用途如同本章一開始所言 , 可以自動地分配 IP 位址給予 DHCP 用戶端 , 但其實另一項更大的好處在於方便管理。基於以下幾點原因 , 就可以很清楚地了解在網路中佈署 DHCP 伺服器 , 的確可以讓我們在管理上有事半功倍之效果。

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採用 DHCP 服務的優點• 不易出錯 因為 DHCP 伺服器每出租一個 IP 位址時 , 都會在資料庫中建立一筆相對應的租用資料 , 因此幾乎不可能發生 IP 重複租用的狀況。而且這個出租、登記作業 , 不需要人力介入 , 更可以避免人為的錯誤 (例如：輸入錯誤 ) 。

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採用 DHCP 服務的優點• 易於維護 DHCP 不但可以自動分配 I P 位址 , 而且還可以指定各項 TCP/ I P 參數 (例如： DNS 伺服器和預設閘道的 IP 位址 ), 因此 , 當我們要變更相關的參數時 , 只要從 DHCP 伺服器上修改 , 就可以讓所有 DHCP 用戶端都自動更新 , 大幅節省維護成本。

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採用 DHCP 服務的優點• 用戶端不需要繁瑣的設定 只要 DHCP 伺服器設定妥當 , 用戶端只需設定為使用 DHCP 取得 IP 位址 , 即可完成 TCP/IP 的設定 , 快速又方便。

• IP 位址可重複使用 每當 DHCP 用戶端開機時 , DHCP 伺服器便會分配 1 個 IP 位址給予使用 , 當用戶端租約到期或取消租約後 , 伺服器又可以將此 IP 位址分配給其他的 DHCP 用戶端使用 , 能有效的節省 IP 位址的用量。

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14-2 DHCP 運作流程從 DHCP 用戶端向 DHCP 伺服器要求租用 I

P 位址開始 , 直到完成用戶端的 TCP/IP 設定 , 簡單來說是由 4 個階段所組成。

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DHCP 運作流程 以下將逐一說明運作流程中的 4 個步驟。

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1. 要求租用 IP 位址 當我們將電腦設定成 DHCP 用戶端後 , 第一次啟動電腦時即會進入此階段。首先由 DHCP 用戶端廣播一個 DHCPDiscover ( 尋找 ) 封包 , 要求任一部 DHCP 伺服器提供 IP 租約。

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2. 提供可租用的 IP 位址 因為 DHCPDiscover 是以廣播方式送出 , 所以網路上所有的 DHCP 伺服器都會收到此封包 , 而每一台 DHCP 伺服器收到此封包時 , 都會從本身所管理的 IP 位址中 , 找出一個可用的 IP 位址 , 設定租約期限後記錄在 DHCPOffer (提議 ) 封包 , 再以廣播方式送給用戶端。

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3. 確認 IP 租約 因為每一台 DHCP 伺服器都會送出 DHCPOffe

r 封包 , 因此 DHCP 用戶端會收到多個 DHCPOffer 封包 , 用戶端預設會回應最先收到的 DHCPOffer 封包 , 其他陸續收到的 DHCPOffer 封包則不予理會。

用戶端接著以廣播方式送出 DHCPRequest ( 要求 ) 封包 , 除了向選定的伺服器申請租用 IP 位址之外 , 也讓其他曾送出 DHCPOffer 封包、但未雀屏中選的伺服器知道：「你們所提供的 IP 位址落選了。不必為我保留 , 可以租用給其它的用戶端啦！」

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3. 確認 IP 租約 不過 , 如果 DHCP 用戶端不接受 DHCPOffer 封包所提供的參數 , 就會廣播一個 DHCPDecline (拒絕 ) 封包 , 告知伺服器：「我不接受你建議的 IP 位址 (或租用期限…等 ) 。」然後回到第一階段 , 再度廣播 DHCPDiscover 封包 , 重新執行整個取得租約的流程。

用戶端為何會不同意呢？最常見的原因是 IP 位址重複。因為用戶端收到伺服器建議的 IP 位址時 , 通常會以 ARP 協定檢查該位址是否已被使用 , 倘若有其它粗心的使用者 , 手動設定 IP 位址時也佔用了相同的位址 , 用戶端當然就要拒絕租用此 IP 位址。

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4. 同意 IP 租約 當被選中的 DHCP 伺服器收到 DHCPRequest 封包時 , 假如同意用戶端的租用要求 , 便會廣播 DHCPAck (承認 ) 封包給 DHCP 用戶端 , 告知可以將設定值寫入 TCP/IP 中 , 並開始計算租用的時間。

當然 , 可能也會出現伺服器不同意的狀況 , 倘若 DHCP 伺服器不能給予 DHCP 用戶端所要求的資訊 (例如：要求租用的 IP 已被佔用 , 或者不能給予用戶端所要求的租約期限等 ) , 則會發出 DHCPNa ck (拒絕承認 ) 封包。當用戶端收到 DHCPNack 封包時 , 便直接回到第一階段 , 重新執行整個流程。

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更新租約取得 IP 租約後 , DHCP 用戶端必須定期更新

(Renew) 租約 , 否則當租約到期 , 就不能再使用此 IP 位址。依照 RFC 2131 的敘述 , 每當租用時間超過租約期限的 1/2 (50%) 及 7/8 (87.5%) 時 , 用戶端就必須發出 DHCPRequest 封包 , 向 DHCP 伺服器要求更新租約。

但是各家廠商在設計產品時 , 未必遵守 RFC 2131 的建議 , 因此每種產品的更新租約期限可能不同。

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更新租約 此外還要注意一點 , 更新租約時是以單點傳送 (Un

icast) 方式發出 DHCPRequest封包 , 也就是會指名那一台 DHCP 伺服器應該要處理此封包 , 和前面確認 IP 租約階段中 , 使用廣播方式發送 DHCPRequest 封包是不同的！

以 Windows Server 2003 DHCP 伺服器為例 , 預設的租約期限為 8 天 , 當租用時間超過 4 天時 , DHCP 用戶端會向 DHCP 伺服器要求續約 , 將租約期限再恢復為原本的期限 ( 也就是 8 天 ) 。

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更新租約 若不幸在重試 3 次之後 , 依然無法取得 DHCP伺服器的回應 ( 也就是無法和 DHCP 伺服器取得連繫 ), 則 DHCP 用戶端將會繼續使用此租約 , 直到租用時間超過 7 天時 , 會再度向 DHCP伺服器要求續約 , 若仍然無法取得續約的訊息 ( 一樣會重試 3 次 ), 則 DHCP 用戶端改以廣播方式送出 DHCPRequest封包 , 要求 DHCP 伺服器的服務。

當然 , 用戶端也可以在租約期限內 , 手動更新租約。在 Windows NT/2000/XP/2003/Vista/2008 中 , 手動更新租約的方式是在命令提示字元模式下 , 執行 ipconfig /renew 命令即可進行更新。

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撤銷租約 再以 Windows 作業系統為例 , 除了在重新啟動、關機均會送出 DHCPRelease封包撤銷租約外 , 在命令提示字元模式下執行 ipconfig/release 命令 , 也會送出 DHCPRelease 封包撤銷租約。

在 Windows Vista 下要撤銷租約時 , 必須執行 『開始 / 所有程式 / 附屬應用程式』命令 , 然後在命令提示字元項目上按滑鼠右鈕 , 執行 『以系統管理員身份執行』命令 , 開啟命令提示字元視窗。

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撤銷租約 但如果我們的 Windows Vista 電腦安裝了多張網路卡 , 直接執行 ipconfig /release 命令時 , 預設是會撤銷所有網路卡的 IP 租約。若只想要撤銷特定網路卡的 IP 租約 , 則請執行 ipconfig / release 連線名稱命令。

連線名稱指的是我們在網路連線視窗中看到的連線名稱 , 例如：『區域連線』、『區域連線 2 』等名稱。

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14-3 DHCP 封包格式 DHCP 封包在傳輸層 (Transport Layer ) 是採用

UDP 協定。當用戶端傳送給封包給伺服器時 , 是送往 UDP 67 Port ；而從伺服器傳送給用戶端則是送到 UDP 68 Port 。 DHCP 的封包格式如右圖。

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DHCP 封包格式

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14-3-1 封包欄位說明 以下我們擇要說明各重要欄位的意義 , 至於某些目前已經罕用的欄位 , 請讀者自行參考 RFC 2131 和 RFC 2939 。• Op Code (Op)

若為 1, 表示這個封包是從用戶端送出的 , 若為 2, 表示此封包是由伺服器所送出的。

• Hardware Type (Htype)

表示網路類型 , 例如： 1 表示乙太網路 , 7 代表 ARCNET 。其它代碼請參閱 RFC1700 關於 ARP 的部分。

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封包欄位說明• Hardware Address Length (Hlen)

MAC 位址的長度 , 以 Byte 為單位 , 以乙太網路來說 , 其欄位值為 6 。

• Hops (Hops)

當 DHCP 用戶端將封包送出時 , 會將此欄位值設為 0 。而 Relay Agent 要轉送封包到 DHCP 伺服器時 , 則將此值加 1 。

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DHCP Relay Agent 的用途 在第 3 章介紹路由器時曾提到 , 路由器會阻隔廣播封包。所以若 DHCP 用戶端和 DHCP 伺服器分別位於路由器兩邊的區域網路時 , DHCP 用戶端要尋找伺服器的廣播封包將會被路由器擋住 , 導致用戶端無法取得 DHCP 伺服器的服務。

解決方法之一就是在路由器兩邊都架設 DHCP 伺服器；若不想多架設一台 DHCP 伺服器 ,則可使用 Relay Agent (轉送代理伺服器 ) 的方式。

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DHCP Relay Agent 的用途 Relay Agent 會記錄路由器另一端的 DHCP 伺服器的 IP 位址 , 當 Relay Agent 發現區域網路中有 DHCPDiscover 或 DHCPRequest 廣播封包時 , 它會收下該封包 , 並將封包的目的位址改成 DHCP 伺服器的 IP 位址重新送出 , 此修改過的封包屬於單點傳送封包 , 將可通過路由器而到達 DHCP 伺服器。

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DHCP Relay Agent 的用途

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封包欄位說明• Transaction ID (Xid)

當用戶端傳送封包時 , 會隨機分配一組數字置於此欄位中。伺服器收到封包並回覆時 , 會將此欄位值原封不動的寫在回覆封包裡 , 而用戶端就是藉由此組數字分辨伺服器所回應的是那一個封包。

• Client IP Address (Ciaddr)

目前用戶端所使用的 IP 位址。• Your IP Address (Yiaddr)

伺服器傳送 DHCPOffer 、 DHCPAck 封包時 , 會將欲分配給用戶端的 IP 位址填入此欄位。

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封包欄位說明• Server IP Address (Siaddr)

當伺服器回應 DHCPDiscover 封包時 , 會將自己的 IP 位址填入此欄位 , 讓用戶端可以在稍後的 Request 封包中 , 將此 IP 位址填入 Option Field 中的 Server Identifier 欄位。

• Relay IP Address (Giaddr)

若伺服器和用戶端需透過 Relay Agent 交換封包時 , Relay Agent 會在此欄位填入自己的 IP 位址。

• Client Ethernet Address (Chaddr)

此欄位值為 DHCP 用戶端的 MAC Address 。

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封包欄位說明• Server Host Name (Sname)

此欄位存放的是 DHCP 伺服器的名稱 , 但 Windows 2000 不使用此欄位。

• Boot File Name (File)

這是當用戶端為 Diskless Workstation (無磁碟工作站 ) 時才會用到的欄位。此欄位由伺服器提供 , 填入用戶端開機所需要的檔案名稱 , 讓用戶端利用檔案傳輸工具下載此檔案 , 並藉以完成開機程序。

• Option Field (Options)

上一節所提過的租約期限等重要資訊 , 都是放在這個欄位中 , 請參見以下的說明。

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14-3-2 Option Field ( 非必要性欄位 ) Option Field 不是單指一個欄位 , 而是代表一組欄位。這組欄位由許多欄位組成 , 它們有個共同特性－非必要性（ Optional ）。換言之 , 不是每個 DHCP 封包都會有完整的整組欄位 , 大部份只是有其中的部份欄位。

例如： DHCPDiscover 封包和 DHCPAck 封包均有 IP Address Lease Time ( 租約期限 ) 欄位 , 但其它封包則沒有該欄位。我們根據 RFC 2131 整理出下列兩份表格 , 說明這些 Option Field 在各種封包出現的時機。

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Option Field ( 非必要性欄位 )

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Option Field ( 非必要性欄位 )

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Option Field ( 非必要性欄位 ) 所謂『可以使用』 , 是允許軟體廠商在實作時 , 自行決定是否要使用該欄位；『應該使用』則是建議使用此欄位。因為有蠻大的彈性 , 所以各家的 DHCP 軟體也會有差異。

現在我們針對每個欄位加以說明：• Requested Address

用戶端希望獲得的特定 IP 位址或是要更新 IP 租約時 , 會在此欄位填入 IP 位址。通常這個欄位會在回覆 DHCPOffer 封包的 DHCPRequest 封包 , 及重開機時發出的 DHCPRequest 封包中出現。

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Option Field ( 非必要性欄位 )

這 3 個欄位分別代表租約期限、更新租約時間 (T1, 預設是租約期限的 1/2) 及最後更新時間 (T2, 預設是租約期限的 7/8) 。

• IP Address Lease Time ( 含 T1 、 T2)

其實這是由 3 個欄位組成： IP Address Lease Time 、 Renewal Time Value (T1) 、 Rebinding Time Value (T2) 。

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Option Field ( 非必要性欄位 )• Option Overload

當 Option 欄位的資料過多 , 超過規定的最大長度時 (312 Bytes), 可以利用此欄位去設定借用 Sname 和 File 這兩個欄位的空間。欄位值為 1 時 , 表示借用 File 欄 , 欄位值為 2 時 , 表示借用 Sname 欄 , 若為 3, 表示兩個欄位都借來使用。

• DHCP Message Type

此欄位值表示目前所使用的是那一種封包類型 , 欄位值與封包類型的對照表如右。

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Option Field ( 非必要性欄位 )

• Parameter Request List

用戶端可以利用此欄位要求伺服器提供所需要的參數 , 例如：要求 DNS 伺服器的 IP 位址等。

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Option Field ( 非必要性欄位 )• Message

用來告知對方額外的訊息 , 通常是錯誤訊息。• Server Identifier

伺服器的 IP 位址 , 當用戶端還未取得 IP 租約時 , 所有的封包都是採用廣播方式傳送 , 所以需要此欄位來辨識那一台 DHCP 伺服器才是要配合的伺服器。另外 , 在 DHCP Release 封包中也會包含此欄位。

• Client Identifier

用戶端的 MAC 位址 , 讓伺服器知道是那一台用戶端發出租用 IP 位址的要求。

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Option Field ( 非必要性欄位 )• Maximum Message Size

用戶端告知伺服器自己可以接受的封包長度 , 通常是伺服器和用戶端分別位在異質的網路 , 例如：乙太網路與 ATM 網路 , 才會使用到此欄位。

其實 Option Field 這部分 , 各家廠商在實作時 , 或多或少都會有改變 , 因此 , 讀者在使用不同軟體實作時 , 若發現與上述有所出入 , 皆屬正常現象 , 不必懷疑。

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Option Field ( 非必要性欄位 ) 另外 , 上述提到的封包類型有 7 種 , 但依照 R

FC 文件所定義 , 在 DHCP 運作時 ,還有一種封包型態 -DHCPInform 。

這種封包通常用在當用戶端已經有 IP 位址 (通常是手動設定了一個 IP 位址 ), 但是其他相關的參數卻必需使用 DHCP 分派 (例如： DNS 伺服器的 IP 位址、預設閘道的 IP 位址等資訊 ), 這時候用戶端便會利用 DHCPInform 封包告知伺服器它所需要的參數 , 而伺服器便會回應 DHCPAck 或 DHCPNack 的封包 , 回覆或拒絕用戶端的要求。

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Option Field ( 非必要性欄位 ) 不過這種封包很少使用 , 因此本書並未加以介紹 , 若要了解此封包 , 請讀者自行參閱 RFC 相關文件。

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14-4 實作練習：擷取 DHCP 封包 本節我們以 3Com 的 3CRWE554G72T 頻寬分享器擔任 DHCP 伺服器 , IP 位址為 192.168.1.1 ；以 Windows Vista 為 DHCP 用戶端 , 擷取 DHCP 運作流程中的封包。

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14-4-1 首次租用 IP 位址 將 DHCP 用戶端設定為自動取得 IP 位址 , 而後重新開機 , 擷取圖 14-02 運作流程中 4 個步驟的封包。

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首次租用 IP 位址

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首次租用 IP 位址1. 完整的 4 個步驟包含這 4 種封包。2. 在 4 個步驟裡都是發送廣播封包。3. 這 4 個封包都是針對用戶端的同一次要求 , 所

以 Transaction ID 都一樣。4. 1 代表此封包是由用戶端發出的要求封包。5. 所處的網路環境為乙太網路。6. 因為是乙太網路 , 所以 MAC 位址的長度為 6

Bytes 。7. 目前用戶端尚無 IP 位址 , 所以為 0 。

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首次租用 IP 位址8. 用戶端的 MAC 位址。9. 此封包為 DHCPDiscover 封包。10. MSFT 5.0 代表用戶端為 Windows 2000/XP/Vi

sta/2008 ；若為 MSFT 98 則表示用戶端為 Windows 98/Me 。

DHCP 伺服器收到 DHCPDiscover 封包後 , 送出 DHCPOffer 封包回覆用戶端的要求。

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首次租用 IP 位址

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首次租用 IP 位址1. 2 代表此封包是由 DHCP 伺服器發出的回覆封包。

2. 目前用戶端尚無 IP 位址 , 所以為 0 。3. DHCP 伺服器提供給用戶端租用的 IP 位址。4. DHCP 伺服器自己的 IP 位址。5. 此封包為 DHCPOffer 封包。6. 租約期限為 12 小時7. DHCP 伺服器同時賦予用戶端的子網路遮罩。8. DHCP 伺服器同時賦予用戶端預設閘道的 IP

位址。

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首次租用 IP 位址 用戶端收到 DHCP 伺服器發出的 DHCPOffer 封包後 , 通常先以 ARP 協定檢查伺服器要出租的 IP 位址是否已被使用。若然 , 則發出 DHCPDecline 封包拒絕租用該位址；若尚未被使用 , 則發出 DHCPRequest 封包通知伺服器確定要租用：

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首次租用 IP 位址

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首次租用 IP 位址1. 此封包為 DHCPRequest 封包。2. 用戶端要求租用的 IP 位址 , 通常就是 DHCP

伺服器提供的 IP 位址。3. 用戶端的主機名稱。

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首次租用 IP 位址 DHCP 伺服器收到 DHCPRequest 封包後 , 通常以 DHCPAck 封包同意用戶端的租用要求。

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首次租用 IP 位址

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首次租用 IP 位址1. DHCP 伺服器同意出租此 IP 位址。2. 此封包為 DHCPAck 封包。3. DHCP 伺服器同意的租約期限。4. DHCP 伺服器賦予用戶端的子網路遮罩。 歷經上述 4 個步驟之後 , 用戶端便擁有了 IP

位址 , 所以往後與 DHCP 伺服器或其它電腦溝通時 , 可以不必用廣播封包 , 改用單點傳送封包即可。

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14-4-2 更新 IP 位址的租約 當用戶端要更新租約時 , 會發出 DHCPRequest 封包。但是此封包與前一節的 DHCPRequest 封包有所不同 , 它不是以廣播方式發送 , 而且封包內容也有差異。

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更新 IP 位址的租約

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更新 IP 位址的租約1. 以單點傳送方式傳送給 DHCP 伺服器 , 不必

廣播。2. 用戶端目前所使用的 IP 位址。3. 此封包為 DHCPRequest 封包。4. 用戶端的主機名稱。 DHCP 伺服器收到用戶端要求更新租約後 , 若

同意用戶端更新租約 , 則送出 DHCPAck 封包給用戶端。

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更新 IP 位址的租約

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更新 IP 位址的租約1. 當 Giaddr (Relay agent IP address) 為 0, 而

Ciaddr (Client IP address) 不為 0 時 ,DHCP 伺服器會以單點傳送方式發送 DHCPAck 封包。

2. 與前一個封包（圖 14-09 ）的 Transaction ID 相同 , 表示此封包是回覆前一封包。

3. 用戶端目前所使用的 IP 位址。4. DHCP 伺服器同意出租的 IP 位址。5. 此封包為 DHCPAck 封包。6. DHCP 伺服器同意的租約期限。7. DHCP 伺服器賦予用戶端的子網路遮罩。

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更新 IP 位址的租約 用戶端收到 DHCPAck 封包後 , 租用時間會歸零、重新起算 , 直到到達 6 小時（ 50% ）時 , 再發出 DHCPRequest 封包更新租約。如此週而復始 , 不斷運作 , 直到任一方主動撤銷租約。

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14-4-3 撤銷 IP 位址的租約

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撤銷 IP 位址的租約1. 以單點傳送方式發給 DHCP 伺服器 , 不必廣

播。2. 用戶端目前所租用的 IP 位址。3. 此封包為 DHCPRelease 封包。