Как устроен и работает протокол DHCP

В современных сетях служба DHCP является одной из базовых, обеспечивая автоматическую настройку сетевых параметров у клиентов и от правильности ее работы зависит надежное функционирование всей сети. Поэтому важно иметь хотя бы базовые представления о работе одноименного протокола, что позволит не только грамотно подойти к настройке, но и оперативно устранить возможные проблемы. Тем более что протокол DHCP достаточно прост и разобраться в нем может каждый, достаточно иметь начальные знания о работе сетей.

Онлайн-курс по устройству компьютерных сетей
На углубленном курсе "Архитектура современных компьютерных сетей" вы с нуля научитесь работать с Wireshark и «под микроскопом» изучите работу сетевых протоколов. На протяжении курса надо будет выполнить более пятидесяти лабораторных работ в Wireshark.

DHCP - это клиент-серверный протокол, использующий в качестве транспорта UDP, порт сервера - 67, порт клиента - 68. Так как для работы протокола используется широковещание (broadcast), то его действие ограничено текущей подсетью (широковещательным доменом). Для взаимодействия с клиентами расположенными в иных широковещательных доменах могут использоваться агенты ретрансляции (DHCP Relay), о них мы поговорим позже.

Основная задача протокола - получение клиентом IP-адреса, поля для иных сетевых настроек не предусмотрены, дополнительные сетевые параметры передаются протоколом DHCР в виде опций, например: опция 1 - маска сети, опция 3 - адрес маршрутизатора (основной шлюз), опция 6 - адреса серверов имен (DNS).

Получение адреса

Рассмотрим процесс получения IP-адреса, он достаточно прост и состоит из четырех этапов, которые в упрощенном виде показаны на следующей схеме:

Начинает этот процесс клиент, отправляя широковещательное сообщение Обнаружения DHCP (DHCP DISCOVER), в качестве обязательных полей передается номер транзакции - xid, MAC-адрес устройства - chaddr, также в опциях передается последний присвоенный клиенту IP-адрес, однако данная опция может быть проигнорирована сервером.

Все это можно увидеть, если заглянуть внутрь DHCP-пакета:

В данном случае это запрос обнаружения (Discover), цветом мы отметили упоминавшиеся выше поля и опции. Вроде бы все просто, но есть некоторые моменты, которые обычно обходятся молчанием, но способны вызвать определенные затруднения от неверного их понимания.

Обратим внимание на опцию 55 (Parameter Request List) - это список опции запрашиваемых клиентом. Именно так, опции всегда запрашиваются клиентом. С непониманием этого момента связаны ситуации, когда администратор добавил на сервере нужные ему опции, но клиенты их "почему-то" не получают. Ниже показан состав данной опции для Linux и Windows клиентов:

Можно увидеть, что Linux-клиент запрашивает опцию 42 - сервера времени (NTP), а Windows нет, поэтому даже если вы укажете ее на сервере, то Windows-клиенты не будут ее использовать. А что радует, так это что оба клиента запрашивают обе опции для получения маршрутов: предусмотренную стандартом 121 и введенную Microsoft 249.

Запрос обнаружения рассылается для всех узлов сети, но отвечают на него только DHCP-сервера, формируя сообщение Предложения DHCP (DHCP OFFER), которое содержит предлагаемую сервером сетевую конфигурацию. Если серверов несколько, то предложений клиент получит несколько. Из предложенных конфигураций клиент выбирает одну, как правило полученную первой. Предлагаемый клиенту адрес содержится в специальном поле yiaddr, а поле siaddr передается адрес DHCP-сервера.

Так как MAC-адрес отправителя известен, то сервер направляет ответ непосредственно клиенту (unicast), хотя в некоторых случаях может ответить и широковещательным пакетом. Например, DHCP-сервера dnsmasq и Mikrotik отвечает непосредственно клиенту (юникастом), в то время как DHCP Windows Server отвечает широковещательным пакетом. По большому счету это не имеет особого значения, просто вы должны знать, что это вполне допустимые режимы работы DHCP-сервера и не являются признаком неправильной работы.

В структуре ответа мы также отметили цветом вышеописанные опции, также обратите внимание, что в данном случае ответ был отправлен широковещательным пакетом (Windows Server). Ниже показана структура ответа dnsmasq:

Здесь видно, что сервер ответил непосредственно клиенту (отправив фрейм на его MAC-адрес), не прибегая к широковещательной рассылке.

Остальные сетевые параметры передаются в виде опций, в нашем случае это опции 1, 3 и 6 (маска, шлюз, DNS):

Приняв предложение клиент официально запрашивает у сервера данную конфигурацию, для чего отправляет широковещательно Запрос DHCP (DHCP REQUEST), он полностью повторяет по структуре сообщение обнаружения (Discover), только добавляет к нему опцию 54 с адресом сервера, конфигурацию которого клиент принял. Опция 50 содержит предложенный сервером IP-адрес. Несмотря на то, что MAC-адрес DHCP-сервера известен, запрос (Request) рассылается широковещательно, это нужно для того, чтобы остальные DHCP-сервера понимали, что их предложение отвергнуто.

Выше показана структура запроса, можете сравнить его с пакетом обнаружения, обратите внимание на заполненное значение опции 54.

Получив запрос сервер направляет клиенту в ответ Подтверждение DHCP (DHCP ACK), которое отправляется на MAC-адрес клиента (хотя может и широковещательно) и получив которое клиент должен настроить свой сетевой адаптер согласно указанного адреса и опций.

По структуре сообщение подтверждения (Ask) практически не отличается от предложения (Offer), за исключением того, что поле siaddr с адресом DHCP-сервера не заполняется, но его адрес передается в опции 54.

Получив адрес клиент может проверить его на предмет использования при помощи широковещательного ARP-запроса (в большинстве реализаций так и происходит) и если будет обнаружено, что выделенный адрес уже используется (скажем, назначен вручную), то клиент посылает широковещательное сообщение Отказа DHCP (DHCP DECLINE) и начинает процесс получения адреса заново. Сервер, получив сообщение отказа, должен пометить указанный адрес как недоступный и уведомить администратора о возможной проблеме в конфигурации (например, записью в логе).

Также клиент может самостоятельно отказаться от выданного адреса, отправив серверу сообщение Освобождения DHCP (DHCP RELEASE), в отличии от других сообщений, освобождение направляется юникастом серверу, выдавшему адрес. Получив такое сообщение сервер помечает адрес как доступный, но на всякий случай оставляет запись о клиенте, если он захочет получить адрес повторно. Это поведение не является обязательным, но реализовано в большинстве DHCP-серверов.

Обновление адреса

IP-адрес выдается клиенту на определенное время, называемое сроком аренды, его значение зависит от настроек сервера и может варьироваться в широких пределах, например, для DHCP-сервера Windows стандартный срок аренды - 8 дней.

В зависимости от срока прошедшего с момента получения адреса клиент может находится в одном из нескольких состояний.

Сразу после получения адреса клиент переходит в нормальное состояние (BOUND), при этом устанавливаются два момента времени T1 - равный половине времен аренды и T2 - равный 7/8 срока. По достижении времени T1 клиент переходит в состояние Обновления адреса (RENEWING), при котором он пытается обновить свой IP-адрес.

Для этого он отправляет сообщение запроса (Request), в котором указывает текущий IP-адрес. Если сервер подтверждает аренду, то отвечает сообщением подтверждения (Ask), клиент сбрасывает счетчики T1 и T2 и начинает отсчет срока аренды заново.

Обратите внимание, что на сообщение запроса ответит только тот сервер, у которого имеется запись для этого клиента, если такой записи нет - запрос будет проигнорирован.

Данные о сроке аренды и времени обновления адреса и обновлении конфигурации передаются сервером в опциях 51, 58 и 59:

Если сервер не ответил клиенту, то он берет промежуток времени до окончания состояния обновления и делит его пополам, в это время будет отправлен повторный запрос, при его отсутствии промежуток времени снова будет поделен пополам, потом снова пополам, при этом полученный промежуток времени не может быть меньше 60 сек. Таким образом, чем ближе окончание срока обновления, тем чаще будут делаться запросы.

После наступления момента времени T2, если клиенту не удалось обновить адрес, он переходит в состояние обновления Обновления конфигурации (REBINDING). В этом случае он посылает сообщение Обнаружения DHCP, теперь клиенту может ответить любой DHCP-сервер, а не только тот, который выдал IP-адрес. Если ответа от сервера не было, то оставшееся время также делится пополам и запрос повторяется. Все это время клиент может продолжать пользоваться уже полученной сетевой конфигурацией и нормально работать.

Если же до окончания срока аренды ответ так и не был получен, то клиент прекращает все сетевые операции и переходит в состояние Инициализации (INIT). В последствии, при получении предложений (Offer) от различных серверов клиент предпочтет выбрать предложение от сервера, который выдавал ему адрес прошлый раз и продолжит пользоваться старым адресом.

Также при обновлении могут быть иные сценарии развития событий. Скажем, клиент был включен в другую подсеть. В этом случае при получении запроса DHCP (клиент не знает, что он в другой подсети и пытается продлить аренду) сервер определяет неподходящий адрес в запросе и отвечает ему сообщением Отмены DHCP (DHCP NAK), после чего клиент должен начать процедуру получения адреса заново.

Если сеть клиента корректна, но запрашиваемый адрес занят, то сервер также ответит сообщением отмены (Nak) и клиент начнет получение адреса повторно.

Получение дополнительной информации

Если клиент имеет статически назначенный IP-адрес, но хочет получить дополнительные параметры, скажем адрес серверов имен или статические маршруты, то он отправляет специальное широковещательное сообщение Информации DHCP (DHCP INFORM), в ответ сервера отправляют сообщение подтверждения (Ask) без выделения IP-адреса.

Записки IT специалиста