DHCP介绍

1 DHCP简述

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是IETF为实现IP的自动配置而设计的协议，前身是BOOTP协议，属于局域网的网络协议，使用UDP协议工作，常用的2个端口：67(DHCP server),68(DHCP client)。

DHCP通常被用于局域网环境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client动态地获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。简单来说，DHCP就是一个不需要账号密码登录的、自动给内网机器分配IP地址等信息的协议。

DHCP协议支持C/S（客户端/服务器）结构，主要分为两部分：

1. DHCP客户端：通常为网络中的PC、打印机等终端设备，使用从DHCP服务器分配下来的IP信息，包括IP地址、DNS等。
2. DHCP服务器：所有的IP网络设定信息都由DHCP服务器集中管理，并处理客户端的DHCP请求。

DHCP采用UDP作为传输协议，客户端发送消息到DHCP服务器的的67号端口，服务器返回消息给客户端的68号端口。

2 DHCP协议分析

2.1 主要流程

1. 客户端第一次登录网络的时候，计算机发现本机上没有任何IP地址设定，将以广播方式发送DHCP-DISCOVER 消息来寻找DHCP服务器，即向255.255.255.255发送特定的广播信息。网络上每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收这个广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。
2. 局域网内的DHCP 服务器收到 DHCP 客户端广播的DHCP-DISCOVER 消息后，从自身管理的 IP 地址池挑选一个空闲 IP，单播回复一个带可用IP地址的DHCP-OFFER 消息给请求IP的 DHCP 客户端。
3. DHCP 客户端在收到 DHCP 服务器的DHCP-OFFER 消息后，选择第一个接收到的提供信息，再次以广播的方式回答一个DHCP-REQUEST 消息，告知自己准备使用 DHCP-OFFER 消息给出的IP 地址。
   （1）客户端初始化时，广播发送DHCP-REQUEST报文来回应服务器的DHCP-OFFER报文。
   （2）客户端重启初始后，广播发送DHCP-REQUEST报文来确认先前被分配的IP地址等配置信息。
   （3）当客户端已知和某个IP地址绑定后，单播发送DHCP-REQUEST报文来延长IP地址租期
4. DHCP 服务器接收到 DHCP 客户端的 IP 请求消息 DHCP-REQUEST后，确认地址池中的这个地址没有被分配，单播回复一个 DHCP-ACK 告知 DHCP 客户端，你申请的 IP 成功了，DHCP 服务端会将之记录在案：该 IP 已经分配出去了。如果被分配了 ，就会回复DHCP-NAK报文，告诉CLient 地址已经被分配了。
   当客户端收到DHCP服务器分配的地址后，会向这个广播域内发送一个免费ARP的请求，如果没有人响应这个请求，客户端才正式使用这个地址，如果有人回应的话，会返回一个DHCP-Decline报文，要求服务器重新获取地址。

2.2 DHCP全部报文介绍

1. DHCP DISCOVER
客户端开始DHCP过程的第一个报文，是DHCP协议的开始，是请求IP地址和其它配置参数的广播报文。
DHCP客户端初始化TCP/IP，通过UDP端口67向网络中发送一个DHCPDISCOVER广播包，来寻找局域网中的DHCP服务器，请求租用IP地址。该广播包中的源IP地址为0.0.0.0，目标IP地址为255.255.255.255；包中还包含客户机的MAC地址和计算机名。网络上所有支持TCP/IP的主机都会收到该DHCP DISCOVER报文，但是只有DHCP Server会响应该报文。
2. DHCP OFFER
服务器对DHCP DISCOVER报文的响应，是包含有效IP地址及配置的单播（或广播）报文。
任何接收到DHCPDISCOVER广播包并且能够提供IP地址的DHCP服务器，通过解析报文，查询dhcpd.conf配置文件，如果在地址池中能找到合适的IP地址，将通过UDP端口68给客户机回应一个DHCPOFFER广播包，提供一个IP地址。该广播包的源IP地址为DCHP服务器IP，目标IP地址为 255.255.255.255；包中还包含提供的IP地址、客户端的MAC地址、子网掩码、服务器的识别符及租期等信息。
如果存在多个DHCP服务器，会发送多个DHCP OFFER报文。
3. DHCP REQUEST
客户端对于服务器发出的DHCP OFFER所做出的响应，表示接受相关配置。客户端续延IP地址租期时也会发出该报文。
客户端从不止一台DHCP服务器接收到提供之后，会选择第一个收到的DHCPOFFER 包，并向网络中广播一个 DHCPREQUEST消息包，表明自己已经接受了一个DHCP服务器提供的IP地址。该广播包中包含所接受的IP地址和服务器的IP地址。 所有其他的DHCP服务器撤消它们的提供以便将IP地址提供给下一次IP租用请求。
4. DHCP DECLINE
当客户端发现服务器分配的IP地址无法使用（如IP地址冲突时），将发出此报文，通知服务器禁止使用该IP地址。
5. DHCP ACK
服务器在接收到客户端发来的DHCP REQUEST之后发出的成功确认的报文。客户端收到此报文后，才真正获得了IP地址和相关的配置信息。
被客户端选择的DHCP服务器在收到DHCPREQUEST广播后，会广播返回给客户端一个DHCPACK消息包，表明已经接受客户端的选择，并将这一IP地址的合法租用以及其他的配置信息都放入该广播包发给客户端。
6. DHCP NAK
DHCP ACK的相反报文，表示服务器拒绝了客户端的请求。服务器对客户端的DHCP REQUEST报文的拒绝响应报文。
客户端收到此报文后，会重新开始新的DHCP过程。
7. DHCP RELEASE
一般出现在客户端关机、下线等情况。这个报文将会使DHCP服务器释放发出此报文的客户端的IP地址。客户端主动释放服务器分配的IP地址。当服务器收到此报文后，则回收该IP地址，并可以将其分配给其它的客户端。
8. DHCP INFORM
客户端发出的服务器请求一些信息的报文。客户端获得IP地址后，发送此报文请求获取服务器的其它一些网络配置信息，如DNS等。

2.3 IP租用更新报文

客户端获取的IP一般是有租期，到期前需要更新租期，这个过程是通过租用更新数据包来完成的。

1. 在当前租期已过去50%时，DHCP客户端直接向为其提供IP地址的DHCP服务器单播发送DHCP-REQUEST消息包，请求服务器更新租期。服务器收到以后，如果可以继续使用IP地址的话，会响应Client DHCP-ACK，如果该IP不能继续分配，则响应Client DHCP-NAK。
   如果客户端接收到该服务器回应的DHCP-ACK消息包，客户端就根据包中所提供的新的租期以及其它已经更新的TCP/IP参数，更新自己的配置，IP租用更新完成。如果没收到该服务器的回复，则客户端继续使用现有的IP地址，因为当前租期还有50%。
2. 如果在租期过去50%时未能成功更新，则客户端将在当前租期过去87.5%时再次向为其提供IP地址的DHCP服务器联系。如果联系不成功，则重新开始IP租用过程。
3. 如果DHCP客户端重新启动时，它自动发送DHCP-REQUEST广播给DHCP服务器以便请求继续租用原来使用的IP地址。
   如果服务器收到这个消息，确认客户端可以使用该地址，则回答一个DHCP-ACK确认消息；如果此IP地址已经无法再分配，则返回一个DHCP-NAK否认信息，客户端收到这个信息以后，则必须重新发送DHCP-DISCOVER消息获取新的地址。
   DHCP客户机在发出IP租用请求的DHCP-DISCOVER广播包后，将花费1秒钟的时间等待DHCP服务器的回应，如果1秒钟没有服务器的回应，它会将这一广播包重新广播四次（以2，4，8和16秒为间隔，加上1~1000毫秒之间随机长度的时间）。四次之后，如果仍未能收到服务器的回应，则运行Windows 2000的DHCP客户机将从169.254.0.0/16（169.254.0.1~169.254.255.254）这个自动保留的私有IP地址（APIPA）中选用一个IP地址，而运行其他操作系统的DHCP 客户机将无法获得IP地址。DHCP客户机仍然每隔5分钟重新广播一次，如果收到某个服务器的回应，则继续IP租用过程。

2.4 DHCP协议抓包分析

1. Dhcp Discover:获取DHCP服务器IP，广播包 0.0.0.0:68 <-> 255.255.255.255:67，67、68端口为DHCP协议端口。
   
2. DHCP Offer:返回DHCP服务器地址+分配给客户端的IP。

3. DHCP request:请求分配IP地址，请求的IP为DHCP-discover分配的IP。

4. DHCP ACK:分配ip地址成功。

3 DHCP应用

DNSmasq是一个小巧且方便地用于配置DNS和DHCP的工具，适用于小型网络，它提供了DNS功能和可选择的DHCP功能。它服务那些只在本地适用的域名，这些域名是不会在全球的DNS服务器中出现的。DHCP服务器和DNS服务器结合，并且允许DHCP分配的地址能在DNS中正常解析，而这些DHCP分配的地址和相关命令可以配置到每台主机中，也可以配置到一台核心设备中（比如路由器），DNSmasq支持静态和动态两种DHCP配置方式。

3.1 DNSmasq参数配置

我们的绝大部分模组使用linux原生的DNSmasq提供ipv4的dhcp分配服务。以下为我们大部分模组正在使用的配置参数。

主要参数为:

1. dhcp-range:dhcp地址池配置
2. -i 绑定接口br-lan，即只在br-lan口提供dhcp服务
3. -K PC端请求地址池外的地址时，是否发送NAK，让PC重新获取IP地址

DNSmasq支持的全部参数见 dnsmasq option.c

3.2 DNSmasq框架代码

DNSmasq提供dhcpv4、dhcpv6、dns等多种功能，我们这里只关注dhcpv4功能。DNSmasq dhcpv4的基本原理是创建监听本机67端口，接收外界DHCP协议报文，并处理。

3.2.1 创建socket监听67端口

dnsmasq.c:main() -> dhcp_init() ->make_fd()
main()
-> dhcp_init()

->make_fd()


上图中的port是dhcp_init中传参daemon->dhcp_server_port

3.2.2 监听67端口

1. Dnsmasq.c:main() 中调用 poll_listen 将创建好的dhcp_fd添加到pollfds数组中

2. do_poll 监听poll_fds中所有socket的事件

3.2.3 处理DHCP请求

1. Dnsmasq监听67端口，当收到PC dhcp报文时，会调用dhcp_packet->dhcp_replay处理dhcp数据包。

2. 具体的dhcp报文处理流程都在rfc2131.c dhcp_replay中，直接搜索DHCPDISCOVER找到对应的报文的处理逻辑

代码逻辑非常多，但原理比较简单，主要是根据DHCP协议的标准，响应对应的报文。这里不做赘述。

3.3 DNSmasq模块排障方法

1. 查看dnsmasq模块日志，/etc/dnsmasq.conf配置中增加如下配置，并重启dnsmasq，可以查看日志，但是dnsmasq日志较少，只有关键错误才会打印日志。

log-queries 
log-facility=/var/log/dnsmasq.log

查看log方式：
a. cat /var/log/messages|grep dnsmasq

b. cat /var/log/dnsmasq.log

2. DHCP协议的处理过程都在 rfc2131.c dhcp_replay函数中、可以在具体的报文处理逻辑中添加日志，定位具体原因。

4 常见问题排查

4.1 问题分类

DHCP问题可以分为如下3类问题: 上位机问题、PC不发起DHCP请求；网络问题，dnsmasq未收到DHCP请求；dnsmasq问题，dnsmasq不响应DHCP请求。

PC和bridge0口同时抓包，并根据数据包确定问题分类(注:模组的抓包网卡、需要以具体的网络拓扑为准)

1. PC端抓包抓不到DHCP请求：判断为上位机不发起dhcp请求。
2. PC端抓到DHCP请求，bridge0抓不到：判断为网络问题。
3. PC端和bridge0都能抓到包：判断为dnsmasq不响应DHCP请求。

4.2 上位机不发起DHCP请求

1. 检查上位机是否开启了DHCP：上位机PC安装了DHCP管控软件，当反复插拔设备USB时，PC会主动关闭了DHCP开关。

2. 模组DHCP配置变更时，是否有执行链路的Down/Up
   模组DHCP配置变更时，会通过触发链路的Down/Up，触发PC重新发起DHCP请求；RNDIS拨号情况下，是通过 OEM_CTRL_RNDIS_MEDIA_DISCONNECT请求触发rndis0口的DOWN/UP，触发PC重新发起获取IP请求；物理网卡情况下，高通的QCMAP_CLI是通过 ifconfig down/up 触发链路的DOWN/UP，OEM是通过 ethtool -s eth0 autoneg off/on 触发链路的DOWN/UP。

kernel/msm-5.15 / drivers/usb/gadget/function/f_gsi.c
static long gsi_ctrl_dev_ioctl(struct file *fp, unsigned int cmd,unsigned long arg)
{
…
switch (cmd) {
…case OEM _CTRL_RNDIS_MEDIA_DISCONNECT:{rndis_set_param_medium(gsi->params, RNDIS_MEDIUM_802_3, 0);rndis_signal_disconnect(gsi->params);printk(KERN_DEBUG "%s: OEM _CTRL_RNDIS_MEDIA_DISCONNECT\n",__func__);break;}case OEM_CTRL_RNDIS_MEDIA_CONNECT:{gsi_rndis_open(gsi);printk(KERN_DEBUG "%s: OEM_CTRL_RNDIS_MEDIA_CONNECT \n",__func__);break;}
…
}

4.3 网络环境问题

PC端发起了DHCP请求，但是bridge0口抓不到包，可以判断为网络环境问题(注:需要先梳理下拓扑，大部分情况下为bridge0口收包)；排查方法为梳理网络拓扑、并在关键节点抓包；可以参考下网络问题排查类的排障文档

4.4 dnsmasq不响应DHCP请求

4.4.1 确认是否为配置问题

收集正常(可以获取IP)和异常(无法获取IP)情况下，dnsmasq的配置信息，并对比。ps www|grep dnsmasq并逐一对比以下配置

4.4.2 检查dnsmasq日志，确认是否存在明显报错

日志添加方式，参考Dnsmasq模块排障方法章节

4.4.3 检查dnsmasq协议处理流程中增加日志，确认未响应DHCP报文原因

具体的dhcp报文处理流程都在rfc2131.c dhcp_replay中，直接搜索DHCPDISCOVER找到对应的报文的处理逻辑，添加日志，并抓取正常和异常情况的日志，对比确认，未响应DHCP请求的原因

5 典型案例分享

问题现象： PC获取不到IP地址

排障过程

1. PC端抓包分析
   PC端抓包：dhcp discover请求无响应
   
2. 确认是否为网络不通导致
   Bridge0抓包：bridge0口收到了PC的dhcp discover请求
   
3. 确认是否为dnsmasq配置问题
   收集正常(可以获取IP)和异常(无法获取IP)情况下，dnsmasq的配置信息，并对比
   ps www|grep dnsmasq并逐一对比以下配置
   
   对比结果：配置完全一致，非配置原因导致
4. 调试dnsmasq-discover报文处理流程，确认丢包原因
   
   调试结果：没走到dnsmasq处理DHCPDISCOVER的逻辑中
5. 确认poll_check是否检测到dhcp收包事件
   上面已经介绍过，dnsmsasq框架代码基本逻辑为，收集所有fd, 插入到pollfd数组中，并poll 监听所有事件
   a.打印出所有pollfd及事件
   
   
   结果显示：dhcpfd没有收包事件产生
   Brige0收到了数据包，但dhcpfd没有被设置收包事件POLLIN事件。两个思路排查:
   a. 收包角度：从linux kernel netif_receivce_skb收包开始打印整个收包流程，定位丢包点，并分析原因,耗时较长
   b. 排查socket、setsockopt、bind、poll等函数
   先尝试排查是否是socket相关接口导致
6. socket相关接口做基本排查
   a. socket()：dnsmasq日志打印dhcpfd = 10, ls -l /proc/pid/fd查看dhcpfd是否正常
   
   b. 查看bind是否成功:

Netstat查看所有监听端口，67端口监听成功
c. setsockopt排查:
setsockopt嫌疑比较大的接口 SO_BINDTODEVICE参数
检查dnsmasq日志是否有相关报错

检查结果：无相关报错
注释掉 bindtodevice的调用处，测试问题不复现

7. 梳理 setsockopt 源码，由 kernel net/core/sock.c 将socket绑定到对应网口
   原理：根据网口名(br-lan) 获取net结构体，并找到将网口的ifindex记录到sock结构体中

8. 内核增加日志：打印出绑定的具体信息，用于确认，将dhcpfd绑定到了哪个网口
   
   原理：根据网口名(br-lan) 获取net结构体，并找到将网口的ifindex记录都socket中

结果显示：将dhcpfd绑定到了br-lan接口ifindex == 25

9. ip link show 确认br-lan接口的最新信息： br-lan的 index已经变成了28

网卡的ifIndex 只有在物理硬件设备断开重连后才会更新,分析应用层代码，确认是否有会导致网卡断开重连的操作。
分析结果：USB_STOP 会触发 rndis0接口重新加载, rndis接口是br-lan的子接口，USB_STOP和USB_START都会触发br-lan接口更新

#define USB_STOP    "sbin/start_usb stop"
#define USB_START    "sbin/start_usb start"

将USB_START USB_STOP改为 OEM_CTRL_RNDIS_MEDIA_CONNECT/DISCONNECT消息后，问题修复。