第14章使用DHCP动态管理主机地址

章节简述

本章概述了动态主机配置协议（DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol），这是一个用于自动管理局域网内主机IP地址、子网掩码、网关地址及DNS地址等参数的协议。DHCP不仅能够有效提升IP地址的利用率，还能提高配置效率，降低管理与维护成本。

我们将详细讲解如何在Linux系统中配置和部署Kea服务程序。剖析Kea服务程序配置文件中的每个参数的作用，并通过自动分配IP地址、绑定IP地址与MAC地址等实验，让读者直观地体验DHCP的强大功能。

14.1 动态主机地址管理协议

动态主机配置协议（DHCP）是一种基于UDP协议且仅限于在局域网内部使用的网络协议，主要应用于大型局域网环境或拥有大量移动办公设备的网络中，负责自动为局域网内的[设备或网络提供商分配IP地址等网络参数，提供一站式的网络配置服务。

简单来说，DHCP就是一个让局域网内主机自动获取网络参数的服务。在图14-1所示的拓扑图中存在多台主机，如果要手动配置每台主机的网络参数会相当麻烦，日后维护起来也让人头大。而且当机房内的主机数量进一步增加时（比如有100台，甚至1000台），这个手动配置以及维护工作的工作量足以让运维人员崩溃。借助于DHCP，不仅可以为主机自动分配网络参数，还能够确保主机使用的IP地址是唯一的，更重要的是，还能为特定主机分配固定的IP地址。

DHCP应用十分广泛，无论是服务器机房还是家庭、机场、咖啡馆，都会见到它的身影。比如，本书的一位读者开了家咖啡厅，在为顾客提供香醇咖啡的同时，还为顾客免费提供无线上网服务。这样一来，顾客就能一边惬意地喝着咖啡，一边连着无线网络刷朋友圈了。但是，作为咖啡厅老板的您，肯定不希望（也没有时间）为每一位造访的顾客手动设置IP地址、子网掩码和网关地址等信息。另外，考虑到咖啡馆使用的内网网段一般为192.168.10.0/24（C类私有地址），最多可容纳200多台主机，而咖啡厅一天的客流量肯定不止200人。如果采用手动方式为他们分配IP地址，则当他们在离开咖啡厅时并不会自动释放这个IP地址，这就可能出现IP地址不够用的情况。这一方面会造成IP地址的浪费，另外一方面也增加了IP地址的管理成本。而使用DHCP，这一切都迎刃而解—老板只需安心服务好顾客，为其提供美味的咖啡；顾客通过运行DHCP的服务器自动获得上网所需的IP地址，等离开咖啡厅时IP地址将被DHCP服务器收回，以备其他顾客使用。

图14-1 DHCP协议的拓扑示意图

既然确定在今后的生产环境中肯定离不开DHCP了，那么也就有必要好好地熟悉一下DHCP涉及的常见术语了。

作用域：一个完整的IP地址段，DHCP根据作用域来管理网络的分布、IP地址的分配及其他配置参数。
超级作用域：用于管理处于同一个物理网络中的多个逻辑子网段，它包含了可以统一管理的作用域列表。
排除范围：把作用域中的某些IP地址排除，确保这些IP地址不会分配给DHCP客户端。
地址池：在定义了DHCP的作用域并应用了排除范围后，剩余的用来动态分配给客户端的IP地址范围。
租约：DHCP客户端能够使用动态分配的IP地址的时间。
预约：保证网络中的特定设备总是获取到相同的IP地址。

14.2 部署Kea服务程序

红帽RHEL 10系统已彻底的移除了大家熟悉的传统ISC DHCP服务软件包——dhcp-server，也就是dhcpd服务，并选用了ISC Kea作为新一代DHCP服务程序。虽然理论知识上一致，但配置起来还是有很大区别的，读者们接下来的操作一定要细心。

在确认软件仓库配置妥当之后，安装ISC Kea服务程序，其软件包名称为kea：

root@linuxprobe:~# dnf install kea
Updating Subscription Management repositories.
BaseOS                                          2.7 MB/s | 2.7 kB     00:00    
AppStream                                       2.7 MB/s | 2.8 kB     00:00    
Dependencies resolved.
================================================================================
 Package                        Arch       Version             Repository  Size
================================================================================
Installing:
 kea                            x86_64     2.6.1-4.el10        BaseOS     1.3 M
Installing dependencies:
 boost-system                   x86_64     1.83.0-4.el10       BaseOS      16 k
 kea-libs                       x86_64     2.6.1-4.el10        BaseOS     3.1 M
 libpq                          x86_64     16.1-7.el10         BaseOS     253 k
 log4cplus                      x86_64     2.1.1-7.el10        BaseOS     355 k
 mariadb-connector-c            x86_64     3.4.1-1.el10        BaseOS     214 k
 mariadb-connector-c-config     noarch     3.4.1-1.el10        BaseOS      10 k
………………省略部分输出信息………………
Installed:
  boost-system-1.83.0-4.el10.x86_64                                             
  kea-2.6.1-4.el10.x86_64                                                       
  kea-libs-2.6.1-4.el10.x86_64                                                  
  libpq-16.1-7.el10.x86_64                                                      
  log4cplus-2.1.1-7.el10.x86_64                                                 
  mariadb-connector-c-3.4.1-1.el10.x86_64                                       
  mariadb-connector-c-config-3.4.1-1.el10.noarch                                

Complete!

Kea服务程序提供ipv4的网卡信息配置文件是kea-dhcp4.conf，足足有468行之多，但大多都是注释信息，我们可以先简单看下（输出信息暂省略，下个小节会细讲）：

root@linuxprobe:~# cat /etc/kea/kea-dhcp4.conf

老读者此时肯定是会心一笑，这不就是熟悉的JSON格式配置文件吗？而且大部分都是空行和注释信息，其实并不像看起来这样恐怖。我们可以先把所有的空行和注释信息都过滤掉，生成配置文件的精简版：

root@linuxprobe:~# cd /etc/kea/
root@linuxprobe:/etc/kea# mv kea-dhcp4.conf kea-dhcp4.bak
root@linuxprobe:/etc/kea# grep -v "^$" kea-dhcp4.bak | grep -v "//" > kea-dhcp4.conf
root@linuxprobe:/etc/kea# cat -n kea-dhcp4.conf

虽然看起来还是很多，但实际减少了四分之三，只有127行了。此时我们可以先通过表14-1了解下Kea服务程序基本的参数及作用：

表14-1 Kea服务程序配置文件中常见参数及其作用

参数	作用说明
interfaces	定义Kea监听的网络接口，例如："ens160"
subnet	定义服务的IP子网范围，例如："192.168.10.0/24"
pools	定义IP地址池范围，用于动态分配客户端IP
reservations	根据客户端的MAC地址或标识符分配固定IP地址
valid-lifetime	设置IP地址租约有效期（秒）
renew-timer	设置租约更新计时器
rebind-timer	设置租约重新绑定计时器
option-data	配置各种DHCP选项的参数集合，如网关、DNS、NTP服务器等
routers	定义客户端默认网关地址
domain-name-servers	定义客户端DNS服务器地址
domain-name	为客户端指定DNS域名，例如："example.org"
ntp-servers	定义客户端网络时间协议（NTP）服务器
nis-servers	定义客户端的NIS域服务器地址
time-offset	置客户端与UTC的时差（秒），如东八区为28800
server-name	DHCP服务器的主机名或标识符
ddns-send-updates	开启或关闭动态DNS更新（true/false）
ddns-qualifying-suffix	指定动态DNS更新的后缀域名，如："example.com."
host-reservation-identifiers	定义客户端保留地址时使用的标识符类型（如hw-address）
hw-address	客户端硬件（MAC）地址，用于指定固定IP地址
ip-address	为客户端分配的固定IP地址
client-classes	客户端分类，可根据不同标准设置不同策略
lease-database	指定DHCP服务器租约信息的数据库路径
loggers	配置日志记录方式、级别和存储位置

14.3 自动管理IP地址

DHCP的设计初衷是为了更高效地集中管理局域网内的IP地址资源。DHCP服务器会自动把IP地址、子网掩码、网关、DNS地址等网络信息分配给有需要的客户端，而且当客户端的租约时间到期后还能自动回收所分配的IP地址，以便交给新加入的客户端。

为了让实验更有挑战性，来模拟一个真实生产环境的需求：

“机房运营部门：明天会有100名学员自带笔记本电脑来我司培训学习，请保证他们能够使用机房的本地DHCP服务器自动获取IP地址并正常上网”。

机房所用的网络地址及参数信息如表14-2所示。

表14-2 机房所用的网络地址以及参数信息

参数名称	值
IP地址范围	192.168.10.50~192.168.10.150
子网掩码	255.255.255.0
网关地址	192.168.10.1
DNS服务器地址	192.168.10.1

在了解了真实需求以及机房网络中的配置参数之后，按照表14-3来配置DHCP服务器以及客户端。

表14-3 DHCP服务器以及客户端的配置信息

主机类型	操作系统	IP地址
DHCP服务器	RHEL 10	192.168.10.1
DHCP客户端	Windows 11	DHCP自动获取地址

前文讲到，作用域一般是个完整的IP地址段，而地址池中的IP地址才是真正供客户端使用的，因此地址池应该小于或等于作用域的IP地址范围。另外，由于VMware Workstation虚拟机软件自带DHCP服务，为了避免与自己配置的Kea服务程序产生冲突，应该先按照图14-2和图14-3将虚拟机软件自带的DHCP功能关闭。

图14-2 单击虚拟机软件的“虚拟网络编辑器”菜单

图14-3 关闭虚拟机自带的DHCP功能

可随意开启几台客户端，准备进行验证。但是一定要注意，DHCP客户端与服务器需要处于同一种网络模式—仅主机模式（Hostonly），否则就会产生物理隔离，从而无法获取IP地址。建议开启1～3台客户端虚拟机验证一下效果就好，以免物理主机的CPU和内存的负载太高。

在确认DHCP服务器的IP地址等网络信息配置妥当后，就可以配置Kea服务程序了。首先打开并编辑kea-dhcp4.conf文件中的第1-5行，填入网卡名称：

root@linuxprobe:/etc/kea# vim kea-dhcp4.conf
{
"Dhcp4": {
   "interfaces-config": {
       "interfaces": [ "ens160" ]
   },

第6~9行的功能是控制套接字，用于与服务器进行通信，实际作用不大，直接删除：

   "control-socket": {
       "socket-type": "unix",
       "socket-name": "/tmp/kea4-ctrl-socket"
   },

第10~13行的功能是配置租约数据库，此时也用不上，直接删除：

   "lease-database": {
       "type": "memfile",
       "lfc-interval": 3600
   },

第14~21行的功能是定义处理过期租约的参数，例如回收定时器等待时间、最大回收租约数等等，也直接删除：

   "expired-leases-processing": {
       "reclaim-timer-wait-time": 10,
       "flush-reclaimed-timer-wait-time": 25,
       "hold-reclaimed-time": 3600,
       "max-reclaim-leases": 100,
       "max-reclaim-time": 250,
       "unwarned-reclaim-cycles": 5
   },

第22~24行的功能是设置租约的续租时间、重新绑定时间和有效期。其实也可以删除，因为如果没有这些参数的话，Kea也会根据RFC 2131的默认值进行回收和重绑，继续删除：

   "renew-timer": 900,
   "rebind-timer": 1800,
   "valid-lifetime": 3600,

第25~29行的功能是指定全局的客户端DNS信息，这个比较常用，参照表格14-2的需求，进行修改：

   "option-data": [
       {
           "name": "domain-name-servers",
           "data": "192.168.10.1"
       },

第30~46行的功能是指定客户端在解析主机名时应追加的默认域名等信息，我们不需要，则直接删除：

       {
           "code": 15,
           "data": "example.org"
       },
       {
           "name": "domain-search",
           "data": "mydomain.example.com, example.com"
       },
       {
           "name": "boot-file-name",
           "data": "EST5EDT4\\,M3.2.0/02:00\\,M11.1.0/02:00"
       },
       {
           "name": "default-ip-ttl",
           "data": "0xf0"
       }
   ],

第47~55行的功能是定义客户端类别及其特定配置，例如针对特定厂商设置引导文件等，用不上，继续删除：

   "client-classes": [
       {
           "name": "voip",
           "test": "substring(option[60].hex,0,6) == 'Aastra'",
           "next-server": "192.0.2.254",
           "server-hostname": "hal9000",
           "boot-file-name": "/dev/null"
       }
   ],

第56~60行的功能是指定作用域和地址池，参考表格14-2进行填写：

   "subnet4": [
       {
           "id": 1,
           "subnet": "192.168.10.0/24",
           "pools": [ { "pool": "192.168.10.50 - 192.168.10.150" } ],

第61~66行的功能是指定网关地址，继续填写：

           "option-data": [
               {
                   "name": "routers",
                   "data": "192.168.10.1"
               }
           ],

第67~113行的功能是对主机IP和MAC地址的绑定，也就是预约功能，我们下个小节才会使用，此时先全部删除，稍后再用：

           "reservations": [
               {
                   "hw-address": "1a:1b:1c:1d:1e:1f",
                   "ip-address": "192.0.2.201"
               },
               {
                   "client-id": "01:11:22:33:44:55:66",
                   "ip-address": "192.0.2.202",
                   "hostname": "special-snowflake"
               },
               {
                   "duid": "01:02:03:04:05",
                   "ip-address": "192.0.2.203",
                   "option-data": [ {
                       "name": "domain-name-servers",
                       "data": "10.1.1.202, 10.1.1.203"
                   } ]
               },
               {
                   "client-id": "01:12:23:34:45:56:67",
                   "ip-address": "192.0.2.204",
                   "option-data": [
                       {
                           "name": "vivso-suboptions",
                           "data": "4491"
                       },
                       {
                           "name": "tftp-servers",
                           "space": "vendor-4491",
                           "data": "10.1.1.202, 10.1.1.203"
                       }
                   ]
               },
               {
                   "client-id": "01:0a:0b:0c:0d:0e:0f",
                   "ip-address": "192.0.2.205",
                   "next-server": "192.0.2.1",
                   "server-hostname": "hal9000",
                   "boot-file-name": "/dev/null"
               },
               {
                   "flex-id": "'s0mEVaLue'",
                   "ip-address": "192.0.2.206"
               }
           ]
       }
   ],

第114~125行的功能是定义Kea服务程序的日志级别及日志文件信息，暂时不用，也可以删除：

   "loggers": [
   {
       "name": "kea-dhcp4",
       "output-options": [
           {
               "output": "/var/log/kea-dhcp4.log"
           }
       ],
       "severity": "INFO",
       "debuglevel": 0
   }
 ]

这样一番操作下来，我们的最终精简版代码如下，只有26行啦，这才是真正有用的部分：

{
"Dhcp4": {
   "interfaces-config": {
       "interfaces": [ "ens160" ]
   },
   "option-data": [
       {
           "name": "domain-name-servers",
           "data": "192.168.10.1"
       },
   ],
   "subnet4": [
       {
           "id": 1,
           "subnet": "192.168.10.0/24",
           "pools": [ { "pool": "192.168.10.50 - 192.168.10.150" } ],
           "option-data": [
               {
                   "name": "routers",
                   "data": "192.168.10.1"
               }
           ],
       }
   ],
}
}

在红帽认证考试以及生产环境中，都需要把配置过的Kea服务加入到开机启动项中，以确保当服务器下次开机后服务依然能自动启动，并顺利地为客户端分配IP地址等信息。真心建议大家能养成“配置好服务程序，顺手加入开机启动项”的好习惯。

root@linuxprobe:/etc/kea# systemctl restart kea-dhcp4
root@linuxprobe:/etc/kea# systemctl enable kea-dhcp4
Created symlink '/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/kea-dhcp4.service' → '/usr/lib/systemd/system/kea-dhcp4.service'.

把Kea服务程序配置妥当之后就可以开启客户端来检验IP分配效果了。在日常工作中，Windows 11是主流的桌面操作系统，所以只要确保两个主机都处于同一个网络模式内，然后像如图14-4那样设置Windows系统的网络为DHCP模式，再稍等片刻即可自动获取到网卡信息了，如图14-5所示。特别方便！

图14-4 设置网卡模式

图14-5 自动获取到IP地址

如果是在生产环境中配置Kea服务，则有可能会因为DHCP没有被防火墙放行而导致失败，此时执行下面的命令即可：

root@linuxprobe:~# firewall-cmd --permanent --add-service=dhcp
success
root@linuxprobe:~# firewall-cmd --reload
success

在正常情况下，DHCP的运作会经历4个过程：请求、提供、选择和确认。当客户端顺利获得一个IP地址及相关的网络信息后，就会发送一个ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）请求给服务器。在Kea服务程序收到这条信息后，也不会再把这个IP地址分配给其他主机，从根源上避免了IP地址冲突的情况。

14.4 分配固定IP地址

在DHCP协议中有个术语叫“预约”，它用来确保局域网中特定的设备总是获取到固定的IP地址。换句话说，就是Kea服务程序会把某个IP地址私藏下来，只将其用于相匹配的特定设备。这有点像高档餐厅的预约服务，虽然客人还没有到场，但是桌子上会放个写着“已预定”的小牌子。

要想把某个IP地址与某台主机进行绑定，就需要用到这台主机的MAC地址。这个MAC地址即网卡上一串独立的标识符，具备唯一性，因此不会存在冲突的情况。在Linux系统中查看MAC地址的示例如图14-6所示，在Windows系统中查MAC地址的示例如图14-7所示。

图14-6 在Linux系统中查看网卡MAC地址

图14-7 在Windows系统中查看网卡MAC地址

在Linux系统或Windows系统中，都可以通过查看网络的状态来获知主机的MAC地址。在Kea服务程序的配置文件中，按照如下格式将IP地址与MAC地址进行绑定。

MAC与IP地址绑定代码
`"reservations": [`
	{
	`"hw-address":`	`"MAC地址"`	`,`
	`"ip-address":`	`"IP地址"`	`,`
	`"hostname":`	`"主机名称"`
	}
`]`

之前刘遄老师在线下讲课时，讲完DHCP服务后总会看到有些学员在挠头。起初我很不理解，毕竟Kea服务程序是Linux系统中一个很简单的实验，总共就那么二十几行的配置参数，大家还能写错？后来发现了原因—有些学员是以Windows系统为对象进行的IP与MAC地址的绑定实验。而在Windows 7/10系统中看到的MAC地址，其格式类似于00-0C-29-16-3F-EF，间隔符为减号（-）。但是在Linux和Windows 11系统中，MAC地址的间隔符则变成了冒号（:）。

root@linuxprobe:/etc/kea# vim kea-dhcp4.conf
{
"Dhcp4": {
    "interfaces-config": {
        "interfaces": [ "ens160" ]
    },
    "option-data": [
        {
            "name": "domain-name-servers",
            "data": "192.168.10.1"
        },
    ],
    "subnet4": [
        {
            "id": 1,
            "subnet": "192.168.10.0/24",
            "pools": [ { "pool": "192.168.10.50 - 192.168.10.150" } ],
            "option-data": [
                {
                    "name": "routers",
                    "data": "192.168.10.1"
                }
            ],
            "reservations": [
                {
                    "hw-address": "00:0C:29:16:3F:EF",
                    "ip-address": "192.168.10.88",
                    "hostname": "Windows11"
                }
        ]
        }
    ],
}
}

确认参数填写正确后就可以保存并退出配置文件，然后重启Kea服务程序了。

root@linuxprobe:/etc/kea# systemctl restart kea-dhcp4

需要说明的是，如果您刚刚为这台主机分配了IP地址，由于它的IP地址租约时间还没有到期，因此不会立即换成新绑定的IP地址。要想立即查看绑定效果，则需要重启一下客户端的网络服务，如图14-8所示。

图14-8 重启网卡设备

然后就能看到效果了，如图14-9所示。

图14-9 查看绑定后的网卡信息

本章节的复习作业

1．简述DHCP的主要用途。

答：为局域网内部的设备或网络供应商自动分配IP地址等参数。

2．DHCP能够为客户端分配什么网卡资源？

答：可为客户端分配IP地址、子网掩码、网关地址以及DNS地址等信息。

3．真正供用户使用的IP地址范围是作用域还是地址池？

答：地址池，因为作用域内还会包含要排除掉的IP地址。

4．简述DHCP中“租约”的作用。

答：租约分为默认租约时间和最大租约时间，用于在租约时间到期后自动回收主机的IP地址，以免造成IP地址的浪费。

5．简述DHCP中“预约”的作用。

答：通过绑定MAC和IP地址，为指定的主机分配固定网卡信息，也可以理解成是预定服务。

6．简述DHCP中“排除范围”的作用。

答：确保排除范围内的IP地址不会被分配给客户端。

7．把IP地址与主机的什么信息绑定，就可以保证该主机一直获取到固定的IP地址？

答：主机网卡的MAC地址。

8．Windows系统中查看到的MAC地址，能直接进行绑定操作吗？

答：不行，需要将间隔符由减号（-）改为冒号（:）。

9．不能直接查看客户端信息的情况下，如何获知对方的MAC和已获得IP地址信息？

答：可在分配网卡信息后，查阅服务器本地的日志文件：“/var/log/messages”。

10．若已确认Kea服务已正常启动，但客户端怎样都无法获得网卡信息，常见有哪些原因？

答：常见于两台主机的网络模式不一致，物理上无法连通。也可能由防火墙导致，需手动放行下dhcp协议。

章节简述​

14.1 动态主机地址管理协议​

14.2 部署Kea服务程序​

14.3 自动管理IP地址​

14.4 分配固定IP地址​