DHCP - протокол: что это такое и как он работает

DHCP — протокол автоматизации назначения IP-адреса клиенту. Он широко используется в современных сетях. В статье рассмотрим принципы работы, процесс DORA, основные опции и другие аспекты протокола.

Способы выдачи IP-адресов

Чтобы компьютер мог работать в сети, ему нужен IP-адрес. Он выглядит как 4 числа через точку. Например, IP-адрес timeweb.com – 185.114.246.105. Это как страна, город, улица и дом в почтовом адресе, только в интернете – это узлы связи и магистральные роутеры. Если устройству не выдали IP-адрес, оно не может общаться с другими устройствами в сети.

«IP» расшифровывается как Internet Protocol. Данный протокол имеет две версии: IPv4 и IPv6. 

• IPv4 записывается, как в примере выше: 185.114.246.105
• IPv6 в 4 раза длиннее и выглядит примерно так – 2001:0DA8:AB10:0001:0010:0000:0001:00FB

Устройство может получить IP-адрес двумя способами: статическим (ручным) и динамическим. 

• Статический – когда человек, например администратор сети, заходит в настройки компьютера и вручную прописывает для него IP-адрес. Это удобно, когда в сети мало компьютеров (дома или в небольшом офисе).
• Динамический – когда компьютер автоматически получает IP-адрес после подключения к сети. Такой IP-адрес называется динамическим и присваивается компьютеру на ограниченный промежуток времени. Этот способ помогает снизить трудозатраты, когда в сети много компьютеров или устройств. 

Динамический способ подойдет как для предприятий, где количество устройств фиксировано, так и для кафе, через Wi-Fi которых каждый день проходит много разных гаджетов. 

Протокол DHCP, получение адреса IP — DORA

Discovery, или поиск

Изначально клиент находится в состоянии инициализации (INIT) и не имеет своего IP-адреса. Поэтому он отправляет широковещательное (broadcast) сообщение DHCPDISCOVER на все устройства в локальной сети. В той же локальной сети находится DHCP-сервер. DHCP-сервер — это, например, маршрутизатор или коммутатор, существуют также выделенные DHCP-серверы.

Не всегда одну сеть обслуживает один DHCP-сервер, нередко организации устанавливают сразу несколько. Какие порты использует DHCP? Сервер всегда слушает 67 порт, ожидает широковещательное сообщение от клиента, а после его получения отправляет ответное предложение — DHCPOFFER. Клиент принимает сообщение на 68 порту.

Offer, или предложение

DHCP-сервер отвечает на поиск предложением, он сообщает IP, который может подойти клиенту. IP выделяются из области (SCOPE) доступных адресов, которая задается администратором.

Если имеются адреса, которые не должны быть назначены DHCP-сервером, область можно ограничить, указав только разрешенные адреса. Например, администратор может задать диапазон используемых IP-адресов от 192.0.0.10 до 192.0.0.255.

Бывает и так, что не все доступные адреса должны быть назначены клиентам. Например, администратор может исключить (exclude) диапазон 192.0.0.100 — 192.0.0.200 из используемой области. Такое ограничение называется исключением.

DHCP выделяет доступные IP-адреса из области только временно (об этом позже), поэтому нет гарантии, что при следующем подключении у данного клиента останется прежний IP. Но есть возможность назначить какому-либо клиенту определенный IP навсегда. К примеру, забронировать 192.0.0.10 за компьютером системного администратора. Такое сохранение IP для отдельных клиентов называют резервацией (reservation).

DHCPOFFER содержит IP из доступной области, который предлагается клиенту отправкой широковещательного (broadcast, «если вы тот, кто запрашивал IP-адрес, то доступен вот такой») или прямого (unicast, «вы запрашивали IP, предлагаю вот такой») сообщения. При этом, поскольку нужный клиент пока не имеет IP, для отправки прямого сообщения он идентифицируется по MAC-адресу.

Request, или запрос

Клиент получает DHCPOFFER, а затем отправляет на сервер сообщение DHCPREQUEST. Этим сообщением он принимает предлагаемый адрес и уведомляет DHCP-сервер об этом. Широковещательное сообщение почти полностью дублирует DHCPDISCOVER, но содержит в себе уникальный IP, выделенный сервером. Таким образом, клиент сообщает всем доступным DHCP-серверам «да, я беру этот адрес», а сервера помечают IP как занятый.

Acknowledgement, или подтверждение

Сервер получает от клиента DHCPREQUEST и окончательно подтверждает передачу IP-адреса клиенту сообщением DHCPACK. Это широковещательное или прямое сообщение утверждает не только владельца IP, но и срок, в течение которого клиент может использовать этот адрес.

Со схемой отправки сообщений разобрались, но, если в сети несколько DHCP-серверов, пославших предложение, какое из них выберет клиент? Хороший вопрос. В состоянии INIT, если клиент получает адрес впервые, он будет принимать только первое предложение IP. Однако, если клиент уже общался ранее с определенным DHCP-сервером, он отдаст предпочтение этому серверу и, наоборот, сервер выберет знакомого клиента.

Протокол DHCP и динамический IP

Для динамической выдачи IP-адресов используется сетевой протокол DHCP («Dynamic Host Configuration Protocol»), что переводится как протокол динамической настройки узла.

DHCP работает по модели «клиент-сервер». Он автоматически раздает IP-адреса и другие параметры конфигурации устройствам, чтобы те могли работать в сети. 

• Клиент – это устройство, которому надо получить IP-адрес для работы в сети. Это может быть телефон, планшет, ноутбук или компьютер.
• Сервер – это устройство, которое раздает IP-адреса клиентам и следит за тем, чтобы два клиента не получили одинаковый IP-адрес.

Длительность использования IP-адреса

Время, на которое клиент получает IP-адрес от сервера, называется «срок аренды» (lease time). Он может составлять несколько минут, часов и даже суток. Когда срок аренды заканчивается, адрес освобождается, и сервер может отдать его другому клиенту. 

Клиент может продлить аренду и использовать IP-адрес дальше. Для этого он ждет, пока пройдет половина срока, который изначально назначил сервер. После этого клиент посылает серверу сообщение «DHCPREQUEST», в котором указывает свой текущий IP-адрес. В ответном сообщении «DHCPACK» сервер запускает срок аренды заново. Получилась укороченная схема взаимодействия «клиент-сервер» из двух последних этапов (запрос → подтверждение).

Если сервер молчит и не отправляет подтверждение «DHCPACK», то клиент пробует отправить повторный запрос «DHCPREQUEST», когда пройдет половина от того времени, что осталось сейчас. И так до тех пор, пока не пройдет ⅞ времени всей аренды. После этого клиент начнет отправлять широковещательные запросы на свою сеть и ждать ответа от другого сервера.

Перед тем как завершить работу и отключиться от сети, клиент автоматически отправит серверу сообщение «DHCPRELEASE». Это значит, что IP-адрес свободен и сервер может передать его другому компьютеру.