只有跟DHCP客户端在同一个网段的DHCP服务器才能收到DHCP客户端广播的DHCP DISCOVER报文。当DHCP客户端与DHCP服务器不在同一个网段时，必须部署DHCP中继来转发DHCP客户端和DHCP服务器之间的DHCP报文。

下面分别从无中继和有中继两个场景介绍DHCP客户端首次接入网络的工作原理。

无中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理

如图1所示，在没有部署DHCP中继的场景下，首次接入网络DHCP客户端与DHCP服务器的报文交互过程，该过程称为DHCP报文四步交互。 

图1 无中继场景时DHCP客户端首次接入网络的报文交互示意图

第一步：发现阶段

首次接入网络的DHCP客户端不知道DHCP服务器的IP地址，为了学习到DHCP服务器的IP地址，DHCP客户端以广播方式发送DHCP DISCOVER报文（目的IP地址为255.255.255.255）给同一网段内的所有设备（包括DHCP服务器或中继）。DHCP DISCOVER报文中携带了客户端的MAC地址（chaddr字段）、需要请求的参数列表选项（Option55）、广播标志位（flags字段）等信息。

第二步：提供阶段

与DHCP客户端位于同一网段的DHCP服务器都会接收到DHCP DISCOVER报文，DHCP服务器选择跟接收DHCP DISCOVER报文接口的IP地址处于同一网段的地址池，并且从中选择一个可用的IP地址，然后通过DHCP OFFER报文发送给DHCP客户端。

通常，DHCP服务器的地址池中会指定IP地址的租期，如果DHCP客户端发送的DHCP DISCOVER报文中携带了期望租期，服务器会将客户端请求的期望租期与其指定的租期进行比较，选择其中时间较短的租期分配给客户端。

DHCP服务器在地址池中为客户端分配IP地址的顺序如下：

IP地址分配顺序不支持修改。

1.DHCP服务器上已配置的与客户端MAC地址静态绑定的IP地址。

2.客户端发送的DHCP DISCOVER报文中Option50（请求IP地址选项）指定的地址。

3.地址池内查找“Expired”状态的IP地址，即曾经分配给客户端的超过租期的IP地址。

4.在地址池内随机查找一个“Idle”状态的IP地址。

5.如果未找到可供分配的IP地址，则地址池依次自动回收超过租期的（“Expired”状态）和处于冲突状态（“Conflict”状态）的IP地址。回收后如果找到可用的IP地址，则进行分配；否则，DHCP客户端等待应答超时后，重新发送DHCP DISCOVER报文来申请IP地址。

设备支持在地址池中排除某些不能通过DHCP机制进行分配的IP地址。例如，客户端所在网段已经手工配置了地址为192.168.1.100/24的DNS服务器，DHCP服务器上配置的网段为192.168.1.0/24的地址池中需要将192.168.1.100的IP地址排除，不能通过DHCP分配此地址，否则，会造成地址冲突。

为了防止分配出去的IP地址跟网络中其他客户端的IP地址冲突，DHCP服务器在发送DHCP OFFER报文前通过发送源地址为DHCP服务器IP地址、目的地址为预分配出去IP地址的ICMP ECHO REQUEST报文对分配的IP地址进行地址冲突探测。如果在指定的时间内没有收到应答报文，表示网络中没有客户端使用这个IP地址，可以分配给客户端；如果指定时间内收到应答报文，表示网络中已经存在使用此IP地址的客户端，则把此地址列为冲突地址，然后等待重新接收到DHCP DISCOVER报文后按照前面介绍的选择IP地址的优先顺序重新选择可用的IP地址。

此阶段DHCP服务器分配给客户端的IP地址不一定是最终确定使用的IP地址，因为DHCP OFFER报文发送给客户端等待16秒后如果没有收到客户端的响应，此地址就可以继续分配给其他客户端。通过下面的选择阶段和确认阶段后才能最终确定客户端可以使用的IP地址。

第三步：选择阶段

如果有多个DHCP服务器向DHCP客户端回应DHCP OFFER报文，则DHCP客户端一般只接收第一个收到的DHCP OFFER报文，然后以广播方式发送DHCP REQUEST报文，该报文中包含客户端想选择的DHCP服务器标识符（即Option54）和客户端IP地址（即Option50，填充了接收的DHCP OFFER报文中yiaddr字段的IP地址）。

DHCP客户端广播发送DHCP REQUEST报文通知所有的DHCP服务器，它将选择某个DHCP服务器提供的IP地址，其他DHCP服务器可以重新将曾经分配给客户端的IP地址分配给其他客户端。

设备作为DHCP客户端，如果网络中有多个DHCP服务器，DHCP客户端会根据收到DHCP OFFER报文的顺序对DHCP服务器进行轮询，在前一个DHCP服务器分配IP地址失败时，选择下一个DHCP服务器分配IP地址。

第四步：确认阶段

当DHCP服务器收到DHCP客户端发送的DHCP REQUEST报文后，DHCP服务器回应DHCP ACK报文，表示DHCP REQUEST报文中请求的IP地址（Option50填充的）分配给客户端使用。

DHCP客户端收到DHCP ACK报文，会广播发送免费ARP报文，探测本网段是否有其他终端使用服务器分配的IP地址，如果在指定时间内没有收到回应，表示客户端可以使用此地址。如果收到了回应，说明有其他终端使用了此地址，客户端会向服务器发送DHCP DECLINE报文，并重新向服务器请求IP地址，同时，服务器会将此地址列为冲突地址。当服务器没有空闲地址可分配时，再选择冲突地址进行分配，尽量减少分配出去的地址冲突。