Python网络编程5-实现DHCP Client

作者: 净坛使者_猪悟能 | 来源:发表于2021-08-15 10:04 被阅读0次

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），前身是BOOTP协议，是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，统一使用两个IANA分配的端口：67（服务器端），68（客户端）。主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息。

一、DHCP报文格式

DHCP报文格式

1.1报文字段解释

op：报文的操作类型。分为请求报文和响应报文。1：请求报文，即client送给server的封包 2：应答报文。
- 请求报文：DHCP Discover、DHCP Request、DHCP Release、DHCP Inform和DHCP Decline。
- 应答报文：DHCP Offer、DHCP ACK和DHCP NAK。
htype：DHCP客户端的MAC地址类型。MAC地址类型其实是指明网络类型。
- htype值为1时表示为最常见的以太网MAC地址类型。
hlen：DHCP客户端的MAC地址长度。
- hlen值为6时表示为以太网。以太网MAC地址长度为6个字节
hops：DHCP报文经过的DHCP中继的数目，默认为0。
- DHCP请求报文每经过一个DHCP中继，该字段就会增加1。没有经过DHCP中继时值为0。(若数据包需经过router传送，每站加1，若在同一网内，为0。)
xid：相当于请求标识。用来标识一次IP地址请求过程。
- 客户端通过DHCP Discover报文发起一次IP地址请求时选择的随机数，在一次请求中所有报文的Xid都是一样的。
secs：DHCP客户端从获取到IP地址或者续约过程开始到现在所消耗的时间，以秒为单位。
- 在没有获得IP地址前该字段始终为0。(DHCP客户端开始DHCP请求后所经过的时间。目前尚未使用，固定为0。)
flags：标志位，只使用第0比特位，用来标识DHCP服务器应答报文是采用单播还是广播发送
- 0 表示采用单播发送方式，
- 1 表示采用广播发送方式。
- 其余位尚未使用。(即从0-15bits，最左1bit为1时表示server将以广播方式传送封包给client。)
ciaddr：DHCP客户端的IP地址。
- 仅在DHCP服务器发送的ACK报文中显示，因为在得到DHCP服务器确认前，DHCP客户端是还没有分配到IP地址的。
yiaddr：DHCP服务器分配给客户端的IP地址。
- 仅在DHCP服务器发送的Offer和ACK报文中显示，其他报文中显示为0。
siaddr：下一个为DHCP客户端分配IP地址等信息的DHCP服务器IP地址。
- 仅在DHCP Offer、DHCP ACK报文中显示，其他报文中显示为0。(用于bootstrap过程中的IP地址)
- 一般来说是服务器的ip地址，通常认为option>srever_id字段为真正的服务器ip，siaddr有可能是多次路由跳转中的某一个路由的ip。
giaddr：DHCP客户端发出请求报文后经过的第一个DHCP中继的IP地址。
- 如果没有经过DHCP中继，则显示为0。(转发代理（网关）IP地址)
chaddr：DHCP客户端的MAC地址。
- 在每个报文中都会显示对应DHCP客户端的MAC地址。
sname：为DHCP客户端分配IP地址的DHCP服务器名称（DNS域名格式）。
- 在Offer和ACK报文中显示发送报文的DHCP服务器名称，其他报文显示为0。
file：DHCP服务器为DHCP客户端指定的启动配置文件名称及路径信息。
- 仅在DHCP Offer报文中显示，其他报文中显示为空。
options：可选项字段，长度可变，格式为"代码+长度+数据"。

option字段
DHCP报文中的Options字段可以用来存放普通协议中没有定义的控制信息和参数。如果用户在DHCP服务器端配置了Options字段，DHCP客户端在申请IP地址的时候，会通过服务器端回应的DHCP报文获得Options字段中的配置信息。

DHCP option
Options字段由Type、Length和Value三部分组成。

1.2 工作原理

获取IP地址过程

DHCP 获取IP

发现过程
DHCP Client以广播的方式发送一个DHCP Discover消息，多个DHCP Server接收到PC发送的DHCP Discover消息，都会对所收到的DHCP Discover消息做出回应。
提供阶段
DHCP Server从地址池中选一个IP地址通过，DHCP Offer消息（单播）将这个IP地址发送给DHCP Client。
请求阶段
DHCP Client会以广播方式发送一个DHCP Request消息
1.其意图就是向路由器R上的DHCP Server提出请求，希望获取到该DHCP Server发送给自己的DHCP Offer消息中所提供的那个IP地址。
2.这个DHCP Request消息中携带有R上的DHCP Server的标识（称为Server Identifier），表示PC上的DHCP Client只愿意接受R上的DHCP Server所给出的Offer
3.其他的DHCP Server收到并分析了该DHCP Request消息后，会明白PC拒绝了自己的Offer。于是，这些DHCP Server就会收回自己当初给予PC的Offer
确认阶段
DHCP Server会向DHCP Client发送一个DHCP Ack消息。DHCP Server也可能会向PC上的DHCP Client发送一个DHCP Nak消息。如果PC接收到了DHCP Nak消息，就说明这次获取IP地址的尝试失败了。在这种情况下， PC只能重新回到发现阶段来开始新一轮的IP地址申请过程。

二、实验环境

实验使用的linux 主机由两个网络接口，其中ens33使用DHCP获取IP地址，ens37使用静态IP地址；因此需要使用ens33来发送数据包。

实验环境

三、Python实现DHCP Client

3.1 Python脚本

Change_MAC.py用于MAC地址与Bytes类型相互转换。

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-


import struct

def Change_Chaddr_To_MAC(chaddr): 
    '''转换16字节chaddr为MAC地址，前6字节为MAC'''
    MAC_ADDR_INT_List = struct.unpack('>16B', chaddr)[:6]
    MAC_ADDR_List = []
    for MAC_ADDR_INT in MAC_ADDR_INT_List:
        if MAC_ADDR_INT < 16:
            MAC_ADDR_List.append('0' + str(hex(MAC_ADDR_INT))[2:])
        else:
            MAC_ADDR_List.append(str(hex(MAC_ADDR_INT))[2:])
    MAC_ADDR = MAC_ADDR_List[0] + ':' + MAC_ADDR_List[1] + ':' + MAC_ADDR_List[2] + ':' + MAC_ADDR_List[3] + ':' + MAC_ADDR_List[4] + ':' + MAC_ADDR_List[5]
    return MAC_ADDR
 
 def Str_to_Int(string)
    if ord(string[0]) > 90:
        int1 = ord(string[0]) - 87
    else:
        int1 = ord(string[0]) - 48

    if ord(string[1]) > 90:
        int2 = ord(string[1]) - 87
    else:
        int2 = ord(string[1]) - 48
    int_final = int1 * 16 + int2
    return int_final

def Change_MAC_To_Bytes(MAC):
    section1 = Str_to_Int(MAC.split(':')[0])
    section2 = Str_to_Int(MAC.split(':')[1])
    section3 = Str_to_Int(MAC.split(':')[2])
    section4 = Str_to_Int(MAC.split(':')[3])
    section5 = Str_to_Int(MAC.split(':')[4])
    section6 = Str_to_Int(MAC.split(':')[5])
    Bytes_MAC = struct.pack('!6B', section1, section2, section3, section4, section5, section6)
    return Bytes_MAC

DHCP_Discover.py用于发送DHCP Discover报文;其中GET_MAC.py见ARP章节。

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-

from kamene.all import *
from GET_MAC import get_mac_address
from Change_MAC import Change_MAC_To_Bytes
import time

def DHCP_Discover_Sendonly(ifname, MAC, wait_time = 1):
    if wait_time != 0:
        time.sleep(wait_time)
        Bytes_MAC = Change_MAC_To_Bytes(MAC)#把MAC地址转换为二进制格式
        #chaddr一共16个字节，MAC地址只有6个字节，所以需要b'\x00'*10填充到16个字节
        #param_req_list为请求的参数，没有这个部分服务器只会回送IP地址，什么参数都不给
        discover = Ether(dst='ff:ff:ff:ff:ff:ff', src=MAC, type=0x0800) \
                   / IP(src='0.0.0.0', dst='255.255.255.255') \
                   / UDP(dport=67,sport=68) \
                   / BOOTP(op=1, chaddr=Bytes_MAC + b'\x00'*10) \
                   / DHCP(options=[('message-type','discover'), ('param_req_list', b'\x01\x06\x0f,\x03!\x96+'), ('end')])
        sendp(discover, iface = ifname, verbose=False)
    else:
        Bytes_MAC = Change_MAC_To_Bytes(MAC)
        discover = Ether(dst='ff:ff:ff:ff:ff:ff', src=MAC, type=0x0800) \
                   / IP(src='0.0.0.0', dst='255.255.255.255') \
                   / UDP(dport=67,sport=68) \
                   / BOOTP(op=1, chaddr=Bytes_MAC + b'\x00'*10) \
                   / DHCP(options=[('message-type','discover'), ('param_req_list', b'\x01\x06\x0f,\x03!\x96+'), ('end')])
        sendp(discover, iface = ifname, verbose=False)

DHCP_Request.py用于发送DHCP Request报文。

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-

from kamene.all import *
import time

def DHCP_Request_Sendonly(ifname, options, wait_time = 1):
    request = Ether(dst='ff:ff:ff:ff:ff:ff',src=options['MAC'],type=0x0800)\
              /IP(src='0.0.0.0', dst='255.255.255.255')\
              /UDP(dport=67,sport=68)\
              /BOOTP(op=1,chaddr=options['client_id'] + b'\x00'*10,siaddr=options['Server_IP'],)\
              /DHCP(options=[('message-type','request'),
                     ('server_id', options['Server_IP']),
                     ('requested_addr', options['requested_addr']),
                     ('client_id', b'\x01' + options['client_id']),
                     ('param_req_list', b'\x01\x06\x0f,\x03!\x96+'), ('end')])#’end‘作为结束符，方便后续程序读取
    if wait_time != 0:
        time.sleep(wait_time)
        sendp(request, iface = ifname, verbose=False)
    else:
        sendp(request, iface = ifname, verbose=False)

DHCP_FULL.py用于完成DHCP Client与DHCP Server的报文交互

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-

from kamene.all import *
import multiprocessing
from Change_MAC import Change_MAC_To_Bytes
from GET_MAC import get_mac_address
from Change_MAC import Change_Chaddr_To_MAC
from DHCP_Discover import DHCP_Discover_Sendonly
from DHCP_Request import DHCP_Request_Sendonly

def DHCP_Monitor_Control(pkt):
    try:
        if pkt.getlayer(DHCP).fields['options'][0][1]== 1:#发现并且打印DHCP Discover
            print('发现DHCP Discover包，MAC地址为:',end='')
            MAC_Bytes = pkt.getlayer(BOOTP).fields['chaddr']
            MAC_ADDR = Change_Chaddr_To_MAC(MAC_Bytes)
            print('Request包中发现如下Options:')
            for option in pkt.getlayer(DHCP).fields['options']:
                if option == 'end':
                    break
                print('%-15s ==> %s' %(str(option[0]),str(option[1])))          
        elif pkt.getlayer(DHCP).fields['options'][0][1]== 2:#发现并且打印DHCP OFFER
            options = {}
            MAC_Bytes = pkt.getlayer(BOOTP).fields['chaddr']
            MAC_ADDR = Change_Chaddr_To_MAC(MAC_Bytes)
            #把从OFFER得到的信息读取并且写入options字典
            options['MAC'] = MAC_ADDR
            options['client_id'] = Change_MAC_To_Bytes(MAC_ADDR)
            print('发现DHCP OFFER包，请求者得到的IP为:' + pkt.getlayer(BOOTP).fields['yiaddr'])
            print('OFFER包中发现如下Options:')
            for option in pkt.getlayer(DHCP).fields['options']:
                if option == 'end':
                    break
                print('%-15s ==> %s' %(str(option[0]),str(option[1])))
            options['requested_addr'] = pkt.getlayer(BOOTP).fields['yiaddr']
            for i in pkt.getlayer(DHCP).fields['options']:
                if i[0] == 'server_id' :
                    options['Server_IP'] = i[1]
            Send_Request = multiprocessing.Process(target=DHCP_Request_Sendonly, args=(Global_IF,options))
            Send_Request.start()
        elif pkt.getlayer(DHCP).fields['options'][0][1]== 3:#发现并且打印DHCP Request
            print('发现DHCP Request包，请求的IP为:' + pkt.getlayer(BOOTP).fields['yiaddr'])
            print('Request包中发现如下Options:')
            for option in pkt.getlayer(DHCP).fields['options']:
                if option == 'end':
                    break
                print('%-15s ==> %s' %(str(option[0]),str(option[1])))
        elif pkt.getlayer(DHCP).fields['options'][0][1]== 5:#发现并且打印DHCP ACK
            print('发现DHCP ACK包，确认的IP为:' + pkt.getlayer(BOOTP).fields['yiaddr'])
            print('ACK包中发现如下Options:')
            for option in pkt.getlayer(DHCP).fields['options']:
                if option == 'end':
                    break
                print('%-15s ==> %s' %(str(option[0]),str(option[1])))
    except Exception as e:   
        print(e)
        pass

def DHCP_FULL(ifname, MAC, timeout = 10):
    global Global_IF
    Global_IF = ifname
    Send_Discover = multiprocessing.Process(target=DHCP_Discover_Sendonly, args=(Global_IF,MAC))#执行多线程，target是目标程序，args是给目标闯入的参数
    Send_Discover.start()
    sniff(prn=DHCP_Monitor_Control, filter="port 68 and port 67", store=0, iface=Global_IF, timeout = timeout)#用于捕获DHCP交互的报文

if __name__ == '__main__':
    ifname = 'ens33'
    DHCP_FULL('ens33', get_mac_address(ifname))

3.2 执行效果

执行效果

Wireshark对远程linux主机抓包，结果如下
客户端以广播发送DHCP Discover包，其中报文操作类型为1（请求报文），DHCP客户端的MAC地址设置为00:0c:29:03:a1:08，option53设置报文类型为Discover，option55（请求选项列表）中包含请求的参数。

DHCP Discover

服务器以单播向客户端回复信息，其中报文操作类型为2（应答报文），分配给客户端的IP为192.168.160.146,option 53设置报文类型为offer，Option 54设置服务器标识为192.168.160.254，其他option为客户端请求列表的应答。

DHCP Offer
客户端以广播发送Request报文，其中服务器标识为192.168.160.146（表明是给这台服务器的回复），确认请求的IP为192.168.160.146.

DHCP Request
服务器单播向客户端发送ACK报文，再次确认给其分配的IP为192.168.160.146，服务器标识为192.168.160.254.

DHCP ACK

值得注意的是，交互的四个报文中Transaction ID均为0x00000000，表明是同一次DHCP交互报文。

Python网络编程5-实现DHCP Client

一、DHCP报文格式

1.1报文字段解释

1.2 工作原理

二、实验环境

三、Python实现DHCP Client

3.1 Python脚本

3.2 执行效果

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