计算机网络学习笔记：应用层概述、动态主机配置协议DHCP

一、应用层概述

  应用层位于计算机网络结构的最上层，用于解决应用进程的交互以实现特定网络应用的问题。万维网WWW，域名系统DNS，
动态主机配置协议DHCP，电子邮件，文件传送FTP和P2P文件共享，多媒体网络应用，都是属于应用层的范畴。
  目前应用层流行的两种架构：C/S和P2P。

1.1、C/S架构

  C/S架构的全称是服务器/客户端架构，即将网络中的应用划分为两大类，一类是服务器，一类是客户端。客户端向服务器请求，服务器给予客户端响应。
  服务端具有固定的IP和端口，并且应该长期处于运行状态。C/S架构是服务集中型的，体现在一台服务器要接受N个客户端的请求并处理，客户端必须知道服务器的地址，而服务器不关心客户端的地址。

1.2、P2P架构

  相比较于C/S架构，P2P架构中的每一个应用是对等的，体现在每个应用既有可能是服务方，也有可能是客户方。例如E从D下载文件，同时F又从E下载文件。
  系统增加对等方，不会造成资源的紧张，因为增加一个服务请求者的同时，也是增加了一个服务的提供者。

二、动态主机配置协议DHCP

  在网络中，用户主机如果需要访问Web服务器，需要进行IP地址，子网掩码，默认网关，DNS服务器地址等一系列的设置。如果手动地去配置，在现有的网络规模中是不现实的。
  解决手动配置的问题，可以引入DHCP服务器。在其中设置好其他主机的配置信息，网络中的各个主机启动后访问DHCP服务器，向服务器请求自己的配置信息，而不用手动配置。

  DHCP服务进程，运行在DHCP服务器上。DHCP客户进程，运行在用户主机上。为了简化，本笔记中后续的DHCP服务进程和DHCP客户进程，都简称为客户进程和服务进程，DHCP服务器和用户主机，都简称为服务和客户。
  DHCP是应用层的协议，使用的是运输层的UDP协议作为支持，在运输层会被封装为UDP数据报，服务使用的端口是67，客户使用的端口是68

2.1、DHCP发现报文

  客户广播发送DHCP发现报文，源IP地址为0.0.0.0。因为目前用户主机还没有被分配IP地址。目标地址为255.255.255.255。因为目前主机并不知道网络中有哪些具体的服务。
  网络中的所有设备都会收到该IP数据报。并对其层层解封出有DHCP发送报文的UDP数据报：

• 如果是其他客户进程监听到了，丢弃该报文，因为客户进程没有监听67端口。
• 如果是服务进程监听到了，会接受该报文，并作出响应。

  DHCP发现报文中，还带有事务ID和客户的MAC地址。

2.2、DHCP提供报文

  服务接收到报文后，根据其中封装的客户的MAC地址，查找自己的数据库，查询是否有针对该MAC地址的配置信息。

• 如果有，使用配置信息构建并发送DHCP提供报文。
• 如果没有，就使用默认的配置信息构建并发送DHCP提供报文。

  然后发送DHCP提供报文，该报文的源IP地址为服务的地址，目标IP地址为广播地址。（因为此时客户还没有获取IP地址，为了使客户收到只能使用广播）
  同样地网络中的所有设备都会收到该IP数据报。并对其层层解封出有DHCP提供报文的UDP数据报。

• 如果是其他客户进程监听到了，会接受该报文，并作出响应。
• 如果是服务进程监听到了，会丢弃该报文，因为服务进程没有监听68端口。
    客户还会根据事务ID，判断该报文是否是自己发送的请求报文的响应，除了事务ID，DHCP提供报文还有其他信息：
  
    客户如果收到了多个服务的响应报文，则会从其中选择一个。（通常选择先到达的。）并向选择的服务发送DHCP请求报文。

2.3、DHCP请求报文

  源地址依旧是0.0.0.0，此时客户还不能使用服务的DHCP提供报文中配置信息的IP地址，因为要再次向选择的服务发起确认。

这时客户不是已经知道具体选择了哪一台DHCP服务了吗，为什么还需要通过广播的方式？
此时的客户端无有效 IP，无法用单播发起定向通信，只能广播。这一点，RFC 2131 明确规定：客户端 在未完成 DHCP 过程前，不能单播通信。）（并且需要通知所有服务器，告诉所有 DHCP Server：我选定了谁，其他人请释放资源。有些网络拓扑中，中继或交换机需要广播才能正确处理

2.4、DHCP确认报文

  假设客户选择服务1作为自己的服务。并且服务1接受该请求，则服务1会向客户发送请求的DHCP确认报文，源IP地址为自身的IP，目的IP地址依旧是广播地址， 这时客户才可以使用租用的IP地址。
  如果客户通过ARP检测发现有占用的情况，客户就会给服务发送撤销报文，然后重新走DHCP发现报文的步骤：

2.5、DHCP的续约与终止

  当租用期限过了一半时，客户会向服务发送DHCP请求报文，请求更新租用期。这时的源IP地址为客户租用到的IP地址，目的IP地址为服务IP地址。

• 如果服务同意续约，则发送DHCP确认报文，客户得到新的租用期。
• 如果服务不同意续约，则发送DHCP否认报文，客户立即停止租用该IP，走DHCP发现报文的步骤。
• 如果服务不响应，则在0.85的租用期时间，客户发送DHCP请求报文
  • 租用期满，服务依旧不响应，客户立即停止租用该IP，走DHCP发现报文的步骤。

  并且客户可以随时停止DHCP的租用，需要发送DHCP释放报文。

  服务给客户挑选IP地址时，使用ARP保证地址不被占用。客户在使用该IP之前，也会再次使用ARP进行检查

总结