剛插上網線，電腦怎麼知道自己的IP是什麼？
2022.11.01
剛插上網線，電腦怎麼知道自己的IP是什麼？
DHCP分為四個階段，分別是Discover，Offer， Request和ACK。如果曾經連過這個網，機器會記錄你上次使用的IP，再次連接時優先使用原來的那個IP，因此只需要經歷第三第四階段。
今天這篇文章，很有意思，它來源於我曾經的一次真實面試裡的其中一個小問題。當時是終面，面我的是那家公司的技術顧問，在面試前hr還讓我看了他的履歷，是一位1996年就進了麻省理工計算機系的大佬。
屬實有被震驚到，什麼概念？1996年，沒記錯的話那是個用BP機和大哥大的年代？有幾個人能用上電腦？又有幾個人有這種機會能出國深造。
這是哪部爽文小說的主人公劇情？
就算放到現在，這也是非常強的事情。
我這輩子是沒希望了，也不知道我的兒子或者孫子輩有沒有機會能做到。
也就是說，這位大佬，至少領先了我兩代人。
那一天，我感受到了，那種跨越時代的碾壓感。
好了，不講騷話了，直接開始主題吧。
我們知道，如果你知道某台電腦的IP，就可以向這個IP發起連接請求，建立連接後就可以操作收發數據。
五層網絡協議對應的消息體變化分析
要發送的數據，會在網絡層裡加入IP頭。
ip報頭
這裡面最重要的是發送端和接收端的IP地址。這個IP地址就像是一個門牌號一樣，有了它，數據包就能在這個紛繁複雜的網絡世界裡找到該由誰來接收這個數據包。
所以說上面的網絡通信離不開IP。
假設我有一台新買的電腦，還沒聯網呢，這時候拿著新買的網線，插入網線口，網線插口亮起來了。
然後就可以開始用它上網了。
那麼問題來了。
剛插上網線，電腦怎麼知道自己的IP是什麼？怎麼就突然能上網了呢？
這個話題，我們從DHCP聊起吧。
DHCP是什麼
插上網線之後，獲得IP的方式主要有兩種。
第一種是，自己手動在電腦裡配。像下圖那樣，是macOS的一個截圖，在選擇手動配置之後，除了IP地址還需要配上子網掩碼和路由器的地址。
手動配IP
這就很不科學了，電腦又不只是賣給程序員，這幾個詞對於大部分普通人來說，比賦能抓手閉環這種黑話還要難理解。
大部分人沒事都不應該去配這玩意。
有沒有辦法可以讓這些IP信息自動獲得？
有，這就是第二種獲取IP的方式，DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議）。
DHCP自動生成IP
通過DHCP，在聯網之後可以自動獲取到本機需要的IP地址，子網掩碼還有路由器地址。
DHCP的工作原理
DHCP的工作原理也非常簡單。
說白了，就是向某個管IP分配的服務器，也就是DHCP服務器，申請IP地址。其實一般家裡用的路由器就自帶這個功能。
整個操作流程分為4個階段。
DHCP協議
- DHCP Discover：在聯網時，本機由於沒有IP，也不知道DHCP服務器的IP地址是多少，所以根本不知道該向誰發起請求，於是索性選擇廣播，向本地網段內所有人發出消息，詢問"誰能給個IP用用"。
- DHCP Offer：不是DHCP服務器的機子會忽略你的廣播消息，而DHCP服務器收到消息後，會在自己維護的一個IP池裡拿出一個空閒IP，通過廣播的形式給回你的電腦。
- DHCP Request：你的電腦在拿到IP後，再次發起廣播，就說"這個IP我要了"。
- DHCP ACK：DHCP服務器此時再回复你一個ACK，意思是"ok的"。你就正式獲得這個IP在一段時間（比如24小時）裡的使用權了。後續只要IP租約不過期，就可以一直用這個IP進行通信了。
到這裡，問題來了
為什麼要有第三和第四階段
大家有沒有發現，在Offer階段，其實你的機子就已經拿到了IP了，為什麼還要有後面的Request和ACK呢？是不是有些多此一舉？
這是因為本地網段內，可能有不止一台DHCP服務器，在你廣播之後，每個DHCP服務器都有可能給你發Offer。
本著先到先得的原則，你的機子一般會對第一個到的Offer響應DHCP Request，目的是為了確認offer，在你確認Offer這段時間內，DHCP服務器確認這個IP還沒被分出去，你才可以安心使用這個IP。
像不像你找工作的過程？
你海投簡歷（DHCP Discover），然後拿到了多個offer(DHCP Offer)。
這時候事情還沒完，你一般會跟HR說："你給我兩天時間，我要跟家里人商量下"。
HR也會對你說："那你盡快確認，我這邊還有不少候選人等著"。
之後你考慮下來覺得不錯，跟HR說要接這個Offer（DHCP Request），HR看了下這個崗位還在，才能確認讓你第二天來上班（DHCP ACK）。如果這個公司的崗位已經招到其他候選人了，第四階段的消息就會改為發DHCP NAK，意思是拒絕了你的接Offer請求。
DHCP抓包
光看原理是有些枯燥，我們可以嘗試下抓包看下數據。
在命令行里執行下面的命令，可以強行讓電腦的en0網卡重新走一遍DHCP流程。
sudo ipconfig set en0 DHCP- 1.
en0可以替換成其他網卡，比如eth0啥的。
這時候就可以抓到相關的數據包。
我們可以看到藍色的四個數據包，分別對應上面提到的四個DHCP階段。
其中第二階段中的DHCP Offer裡會返回給我們需要的IP、子網掩碼、路由器地址以及DNS服務器地址。
offer階段
另外，通過抓包，我們可以發現DHCP是應用層的協議，基於傳輸層UDP協議進行數據傳輸。
那麼問題又來了。
為什麼DHCP用UDP，能不能改用TCP？
按道理說，UDP能做到的，TCP一般也能做到。但這次真不行。
主要原因還是因為TCP是面向連接的，而UDP是無連接的。
所謂"連接"，他就只有一個發送端和一個接收端，就跟水管一樣。
而DHCP由於一開始並不知道要跟誰建立連接，所以只能通過廣播的形式發送消息，注意，小細節，廣播。
廣播尋找DHCP服務器.drawio
同樣是在本地網段內發廣播消息，UDP只需要發給255.255.255.255。它實際上並不是值某個具體的機器，而是一個特殊地址，這個地址有特殊含義，只要設了這個目的地址，就會在一定本地網段內進行廣播。
而TCP卻不同，它需要先建立連接，但實際上255.255.255.255對應的機器並不存在，因此也不能建立連接。如果同樣要做到廣播的效果，就需要先得到本地網段內所有機器的IP，然後挨個建立連接，再挨個發消息。這就很低效了。
因此DHCP選擇了UDP，而不是TCP。
為什麼第二階段不是廣播，而是單播。
另外一個小細節不知道大家注意到沒，上面在提到DHCP Offer 階段時，提到的是DHCP服務器會使用廣播的形式回复。但抓個包下來卻發現並不是廣播，而是單播。
其實，這是DHCP協議的一個小優化。原則上大家在DHCP offer階段，都用廣播，那肯定是最穩的，目標機器收到後自然就會進入第三階段DHCP Request。而非目標機器，收到後解包後發現目的機器的mac地址跟自己的不同，也會丟掉這個包。
但是問題就出在，這個非目的機器需要每次都在網卡收到包，並解完包，才發現原來這不是給它的消息，這。。。真，有被打擾到。
如果本地網段內這樣的包滿天飛，也浪費機器性能。
如果能用單播，那當然是最好的。但這時候目的機器其實並沒有IP地址，有些系統在這種情況下能收單播包，有些則認為不能收，這個跟系統的實現有關。因此，對於能收單播包的系統，會在發DHCP Discover階段設一個 Broadcast flag = 0 (unicast) 的標誌位，告訴服務器，支持單播回复，於是服務器就會在DHCP Offer階段以單播的形式進行回复。
Discover要求使用單播回复
是不是每次聯網都要經歷DHCP四個階段？
只要想聯網，就需要IP，要用IP，就得走DHCP協議去分配。
但大家也發現了，DHCP第一階段和第二階段都可能會發廣播消息。對於家用電腦還好，插個網線，之後就雷打不動。但像手機這樣的移動設備，是要帶著到處跑的，坐個地鐵，進個電梯，公司裡到處走走，都可能會涉及到網絡切換。
這每次都要來一個完整的四階段，各種廣播消息滿天飛，其實對網絡環境不太友好。
於是問題叒來了，是不是每次聯網都要經歷DHCP四個階段？
當然不需要。
我們會發現每次斷開wifi再打開wifi時，機子會經歷一個從沒網到有網的過程。
這時候去抓個包，會發現。
其實只發生了DHCP的第三和第四階段。這是因為機子記錄了曾經使用過 192.168.31.170這個IP，重新聯網後，會優先再次請求這個IP，這樣就省下了第一第二階段的廣播了。
另外需要注意的是，抓包圖裡DHCP Request之所以出現兩次，是因為第一次Request發出後太久沒得到回應，因此重發。
DHCP分配下來的IP一定不會重複嗎？
一般來說DHCP服務器會在它維護的IP池裡找到一個沒人用的IP分配給機子，
這個IP如果重複分配了，那本地網段內就會出現兩個同樣的IP，這個IP下面卻對應兩個不同的mac地址。但其他機器上的ARP緩存中卻只會記錄其中一條mac地址到IP的映射關係。
於是，數據在傳遞的過程中就會出錯。
因此本地網段內IP必須唯一。
那麼DHCP分配下來的IP有沒有可能跟別的IP是重複的？
都這麼問了，那肯定是可能的。
有兩個常見的情況會出現IP重複。
- 文章開頭提到，IP是可以自己手動配的，自己配的IP是有可能跟其他DHCP分配下來的IP是相同的。解決方案也很簡單，盡量不要手動去配IP，統一走DHCP。或者在DHCP服務器里維護的IP範圍裡，將這條IP剔除。
- 一個本地網段內，是可以有多個DHCP服務器的，而他們維護的IP地址範圍是有可能重疊的，於是就有可能將相同的IP給到不同的機子。解決方案也很簡單，修改兩台DHCP服務器的維護的IP地址範圍，讓它們不重疊就行了。
不過吧，上面的解決方案，都需要有權限去修改DHCP服務器。
得到DHCP ACK之後立馬就能使用這個IP了嗎？
這就好像在問，拿到offer之後你是第一時間就去上班嗎？
不。
你會先告訴你的同事同學朋友，甚至會發朋友圈。
你的機子也一樣。
在得到DHCP ACK之後，機子不會立刻就用這個IP。
而是會先發三條ARP消息。
大家知道ARP消息的目的是通過IP地址去獲得mac地址。所以普通的ARP消息裡，是填了IP地址，不填mac地址的。
但這三條ARP協議，比較特殊，它們叫無償ARP（Gratuitous ARP），特點是它會把IP和mac地址都填好了，而且填的還是自己的IP和mac地址。
目的有兩個。
- 一個是為了告訴本地網段內所有機子，從現在起，xx IP地址屬於xx mac地址，讓大家記錄在ARP緩存中。
- 另一個就是看下本地網段裡有沒有其他機子也用了這個IP，如果有衝突的話，那需要重新再走一次DHCP流程。
在三次無償ARP消息之後，確認沒有衝突了，才會開始使用這個IP地址進行通信。
這種行為，實際上就跟你拿了offer之後發了這麼個朋友圈沒啥區別。
而且，還連發了三條。
別罵了，圖是P的，我沒這麼發過
秀offer，offer衝突了不可怕。秀對象秀衝突了才可怕。
如果你朋友圈裡有這種人，答應我，刪了吧。
總結
- 電腦插上網線，聯網後會通過DHCP協議動態申請一個IP，同時獲得子網掩碼，路由器地址等信息。
- DHCP分為四個階段，分別是Discover，Offer， Request和ACK。如果曾經連過這個網，機器會記錄你上次使用的IP，再次連接時優先使用原來的那個IP，因此只需要經歷第三第四階段。
- DHCP是應用層協議，考慮到需要支持廣播功能，底層使用的是UDP協議，而不是TCP協議。
- DHCP分配下來的IP是有可能跟某台手動配置的IP地址重複的。
- DHCP得到IP之後還會發3次無償ARP通告，在確認沒有衝突後開始使用這個IP。
最後給大家留個問題吧。我們上面的IP都是從DHCP服務器上申請的，在服務器返回DHCP Offer的時候，可以看到上面寫了DHCP服務器的IP。比如192.168.31.1，這明顯是個局域網內的IP，但這能說明，你的DHCP服務器一定在這個局域網裡嗎？