Протокол DHCP

Основы и принципы работы протокола DHCP

• Для чего нужен протокол DHCP:
• Срок аренды
• Архитектура DHCP
• Опции DHCP
• Взаимодействие DHCP-сервера и клиента
• Способы назначения адресов
• Преимущества и недостатки протокола DHCP
• Взаимодействие протоколов DHCP и DNS

Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) – это сетевой протокол, который автоматически назначает IP-адреса и другие сетевые параметры устройствам в сети, чтобы они могли взаимодействовать друг с другом. 

Для чего нужен протокол DHCP:

• Автоматизация процесса конфигурирования сети. Как мы уже сказали чуть ранее, DHCP позволяет автоматически назначать IP-адреса устройствам, устраняя необходимость ручного конфигурирования каждого устройства. Это особенно полезно в больших сетях, где количество устройств может меняться динамически.
• Упрощение управления сетью. DHCP облегчает управление IP-адресами, предоставляя централизованный способ управления сетевыми настройками. Так администраторы могут быстро и эффективно изменять конфигурацию сети.
• Оптимизация использования IP-адресов. DHCP использует механизм аренды (lease), что позволяет повторно использовать IP-адреса, когда устройства отключаются от сети или неактивны. Он особенно важен в сетях с ограниченным числом доступных IP-адресов.
• Настройка дополнительных сетевых параметров. Помимо IP-адресов, DHCP может автоматически предоставлять другие параметры, такие как шлюз по умолчанию, DNS-серверы, доменные имена и другие важные настройки, которые необходимы для работы устройств в сети.
• Уменьшение ошибок при конфигурировании. Автоматизация процесса назначения IP-адресов и сетевых параметров снижает риск ошибок, которые могут возникнуть при ручном конфигурировании. Благодаря этому повышается надёжность и стабильность работы сети.
• Поддержка мобильных и временных устройств. DHCP позволяет легко подключать к сети устройства, которые временно находятся в зоне действия сети или часто перемещаются между разными сетями: например, ноутбуки, мобильные телефоны и другие мобильные устройства.

Срок аренды

Срок аренды в DHCP определяет время, на которое DHCP-сервер назначает IP-адрес клиенту. 

Когда клиент запрашивает IP-адрес у DHCP-сервера, сервер предоставляет этот адрес на определённый период времени. Это и есть лиз (lease time) или аренда DHCP. Во время неё у клиента есть право использовать назначенный ему IP-адрес и другие настройки сети.

Срок аренды может быть разным и зависеть от конфигурации DHCP-сервера. Обычно он настраивается администратором сети. Срок указывается в минутах, часах, днях или даже неделях.

После истечения срока аренды клиент может обновить свою аренду, запросив DHCP-сервер о продлении аренды на тот же или новый период времени. Если клиент не обновляет аренду и она истекает, DHCP-сервер может назначить этот IP-адрес другому клиенту.

Срок аренды очень важен для управления адресами в сети. Он позволяет эффективно использовать адресное пространство, предотвращая его перегрузку неактивными устройствами, и обеспечивает динамическое управление IP-адресами в сети.

Архитектура DHCP

Архитектура протокола Dynamic Host Configuration Protocol состоит из нескольких основных компонентов, включая клиенты, серверы и опциональные агенты ретрансляции. Давайте рассмотрим каждый из них подробнее:

DHCP-клиенты 

Клиенты DHCP – это устройства, которые запрашивают и получают IP-адреса и другие сетевые параметры от DHCP-сервера. Клиенты могут быть любыми устройствами, которые подключены к сети и требуют сетевой конфигурации.

В локальной сети устанавливается один или несколько таких серверов – они по запросу подключают клиентские устройства к сети, выдавая им IP-адреса из пула, определённого администратором.

Большая часть пула адресов выделена для динамического назначения, когда устройства подключаются к сети на ограниченный период, который может продлеваться после завершения.

Часто несколько адресов резервируют для статического назначения – например, для сетевых принтеров, хранилищ и IP-камер, которые должны работать 24/7 и быть доступными по тем же адресам.

Некоторые адреса или диапазоны могут быть исключены из пула – например, если администратор уже вручную назначил их определённым устройствам.

DHCP-серверы

DHCP-серверы отвечают за выделение и управление IP-адресами и другими сетевыми настройками для клиентов. Они принимают запросы от клиентов и предоставляют им доступные IP-адреса, маски подсети, адреса шлюза, адреса DNS-серверов и другие параметры.

Агенты ретрансляции 

Агенты ретрансляции используются для пересылки DHCP-сообщений между клиентами и серверами в разных подсетях. Они необходимы, когда DHCP-сервер находится в одной подсети, а клиенты – в других.

Опции DHCP

Опции DHCP – это конфигурационные параметры, которые DHCP-сервер предоставляет клиентам для настройки их сетевых параметров. Они передаются в процессе аренды IP-адреса и могут включать разнообразную информацию, необходимую для корректной работы клиентов в сети. 

Опции позволяют централизованно управлять сетевыми настройками, что упрощает администрирование сети и повышает её гибкость и масштабируемость.

Примеры опций DHCP

1. Основные сетевые параметры:

Option 1. Subnet Mask – маска подсети, которая разделяет IP-адрес на сеть и хостовую часть.

Option 3. Router (Default Gateway) – IP-адреса маршрутизаторов, которые клиенты используют в качестве шлюзов по умолчанию.

Option 6. DNS Servers – IP-адреса DNS-серверов, которые клиенты используют для разрешения доменных имен.

2. Идентификация и параметры сети:

Option 12. Hostname – имя хоста для клиента.

Option 15. Domain Name – доменное имя, которое клиенты должны использовать.

Option 28. Broadcast Address – адрес широковещательной рассылки, который клиенты используют для отправки широковещательных пакетов.

3. Время и синхронизация:

Option 42. NTP Servers – IP-адреса серверов времени NTP (Network Time Protocol), которые клиенты используют для синхронизации времени.

Option 51. IP Address Lease Time – время аренды IP-адреса, после которого клиент должен запросить новый IP-адрес или продлить аренду.

Option 58. Renewal (T1) Time Value – время, через которое клиент начинает процесс продления аренды IP-адреса с DHCP-сервером.

Option 59. Rebinding (T2) Time Value – время, через которое клиент начинает повторно выстраивать связь с любым DHCP-сервером, если первоначальный сервер не отвечает.

4. Загрузка и конфигурация системы:

Option 66. TFTP Server Name – имя TFTP-сервера, который клиент может использовать для загрузки файлов.

Option 67. Bootfile Name – имя файла, который клиент должен загрузить при загрузке по сети (например, для бездисковых рабочих станций).

5. Безопасность и управление доступом:

Option 82. DHCP Relay Agent Information используют DHCP-агенты, чтобы передавать информацию о клиентах. Это помогает в управлении и безопасности сети.

Взаимодействие DHCP-сервера и клиента

Сервер и клиент обмениваются сообщениями по принципу «запрос-ответ». Взаимодействие состоит из четырёх этапов – «DORA», где каждая буква соответствует конкретному шагу:

1. Discover (Поиск)
2. Offer (Предложение)
3. Request (Запрос)
4. Acknowledgement, ACK (Подтверждение)

Discover (Поиск)

На этапе поиска клиент пытается найти DHCP-сервер. Когда компьютер подключается к сети, он становится клиентом, которому необходимо получить IP-адрес и другие параметры сети: шлюз по умолчанию, адреса DNS-серверов и маску подсети. Для этого клиент посылает широковещательное сообщение «DHCPDISCOVER», чтобы найти доступные DHCP-серверы.

Широковещательное сообщение означает, что оно отправляется всем устройствам в сегменте сети. Однако ответить на него могут только DHCP-серверы. Этот этап позволяет клиенту определить наличие и местоположение DHCP-серверов в сети.

Offer (Предложение)

Получив сообщение «DHCPDISCOVER» сервер выбирает доступный IP-адрес из пула и отправляет его клиенту в ответном сообщении «DHCPOFFER». В этом сообщении сервер также указывает другие параметры конфигурации сети.

Если в ней работает несколько DHCP-серверов, клиент может получить несколько предложений. В таком случае клиент выбирает одно из них и продолжает процесс взаимодействия с выбранным сервером.

Запрос (Request)

Получив предложения от одного или нескольких DHCP-серверов, клиент выбирает одно из предложенных значений (как правило, IP-адрес), который наиболее подходит ему. Затем он отправляет сообщение «DHCPREQUEST» на выбранный DHCP-сервер, указывая выбранный IP-адрес и запрашивая подтверждение настройки сети.

Этот этап важен, так как клиенту необходимо убедиться, что выбранный им IP-адрес всё ещё доступен. Также клиент сообщает серверу, что он принимает предложенные сетевые параметры и ждет подтверждения (ACK) от сервера.

Acknowledgement, ACK (Подтверждение)

Получив сообщение «DHCPREQUEST», DHCP-сервер обрабатывает запрос и проверяет, доступен ли запрошенный IP-адрес и другие предложенные параметры. Если запрашиваемый IP-адрес доступен и все параметры корректны, сервер отправляет клиенту сообщение подтверждения «DHCPACK», которое содержит окончательные настройки сети.

Сообщение «DHCPACK» также включает в себя информацию о времени аренды IP-адреса, чтобы клиент знал, сколько времени он может использовать этот адрес, и когда ему нужно будет обновить аренду или запросить новый IP-адрес.

Если DHCP-сервер не может предоставить запрошенный IP-адрес или обработать запрос клиента по какой-то причине (например, IP-адрес уже занят или параметры запроса некорректны), сервер отправит клиенту сообщение отказа «DHCPNAK», и клиент будет вынужден повторить процесс запроса и поиска другого доступного IP-адреса.

Дополнительные сообщения

Помимо основных этапов взаимодействия DORA, протокол DHCP использует несколько дополнительных типов сообщений:

1. DHCPNAK. Об этом типе сообщения мы упоминали раньше. DHCP-сервер отправляет его в случае отказа в выделении запрошенного IP-адреса. Он используется, например, когда аренда запрашиваемого адреса истекла или когда клиент пытается подключиться к новой подсети.
2. DHCPRELEASE. Клиент отправляет DHCPRELEASE-сообщение, чтобы уведомить сервер о том, что он освобождает занимаемый IP-адрес. Так сервер может освободить ресурсы и снова использовать этот адрес.
3. DHCPINFORM. Клиент посылает сообщение «DHCPINFORM», когда у него уже есть IP-адрес, но ему нужна дополнительная конфигурация сети. Например, если ему необходимо получить адреса DNS-серверов. Сервер отвечает на этот запрос, предоставляя запрошенные настройки.

Эти сообщения позволяют более гибко управлять сетевыми ресурсами и обеспечивать более эффективное функционирование сетевой инфраструктуры.

Способы назначения адресов

Есть различные способы назначения IP-адресов устройствам в сети. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, а выбор зависит от требований сети и удобства управления IP-адресами.

Некоторые из них включают:

• Динамическое назначение. DHCP-сервер назначает клиенту IP-адрес лишь на определённое время. Когда срок аренды истекает, клиент должен запросить её продление или получить новый IP-адрес. Динамическое назначение упрощает управление IP-адресами, особенно в сетях с большим числом устройств.
• Статическое (ручное) назначение. Администратор вручную назначает определённый IP-адрес устройству. Этот метод часто используется для серверов, сетевых принтеров и других устройств, у которых IP-адрес должен оставаться постоянным.
• Автоматическое назначение. Этот метод похож на динамическое назначение, но DHCP-сервер всегда назначает один и тот же IP-адрес конкретному устройству. Таким образом, устройство автоматически получает IP-адрес, но он остаётся постоянным с каждым новым запросом.

Преимущества и недостатки протокола DHCP

Преимущества DHCP:

• Автоматическая раздача IP-адресов. DHCP автоматически назначает IP-адреса и другие сетевые настройки клиентам, что упрощает процесс настройки сети и управление устройствами.
• Динамическое обновление настроек. Клиенты могут динамически обновлять свои настройки, включая IP-адрес и другие параметры даже без перезагрузки устройства.
• Избежание конфликтов IP-адресов. DHCP обеспечивает уникальность IP-адресов в сети, предотвращая возможные конфликты.
• Централизованное управление. Администраторы могут централизованно управлять настройками сети через DHCP-сервер. Благодаря этому процесс управления становится более гибким и удобным.
• Эффективное использование ресурсов. Протокол позволяет динамически управлять IP-адресами, используя их только при необходимости. Это экономит адресное пространство и увеличивает эффективность использования доступных адресов.

Недостатки DHCP:

• Безопасность. Чтобы предотвратить несанкционированное назначение IP-адресов или другие атаки, необходимо обеспечивать безопасность DHCP-сервера. Процесс DORA (Discover, Offer, Request, Acknowledgement) включает в себя широковещательную отправку сообщений, где первый ответивший DHCP-сервер получает возможность предложить IP-адрес из своего пула. Если злоумышленник использует собственный сервер, который может быстро ответить клиенту, то он может получить контроль над действиями пользователя в сети и нанести значительный ущерб.
• Ненадёжность протокола UDP. UDP не гарантирует доставку сообщений. А значит, протокол допускает потери и ошибки, которые могут повлиять на работу DHCP.
• Зависимость от сервера. Если в сети настроен только один DHCP-сервер, это может стать единой точкой отказа: новые клиенты не смогут получить IP-адреса. Действующие клиенты смогут использовать свои адреса до истечения аренды.
• Ограниченная гибкость. Несмотря на автоматизацию DHCP может ограничивать гибкость, когда нужно использовать специфические сетевые настройки: например, постоянные IP-адреса для определённых устройств.

Взаимодействие протоколов DHCP и DNS

Протоколы DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) и DNS (Domain Name System) тесно взаимодействуют в сетевой инфраструктуре, чтобы обеспечить эффективную работу сети и удобства пользователей.

DHCP играет ключевую роль в автоматической настройке сетевых параметров, включая IP-адреса, шлюзы и адреса DNS-серверов, на клиентских устройствах. Когда клиент подключается к сети, он отправляет запрос DHCP для получения этих параметров. DHCP-сервер предоставляет клиенту не только IP-адрес, но и адрес DNS-сервера. 

DNS, в свою очередь, отвечает за преобразование доменных имён в IP-адреса. Когда пользователь вводит веб-адрес в браузере, например, «www.sweb.ru», компьютер отправляет запрос DNS-серверу, чтобы определить соответствующий IP-адрес этого домена. DNS-сервер возвращает его, и компьютер может использовать адрес для установки соединения с запрошенным ресурсом.

Если вы планируете создать свою локальную сеть на основе Linux, вероятно, вам потребуется настроить взаимодействие между DNS и DHCP. В отличие от Windows, в Linux нет функции Active Directory, которая позволяет автоматически связывать DHCP и DNS даже без IP-адресов. Однако и в Linux можно вручную настроить это взаимодействие.

Первый способ – настроить DHCP-сервер так, чтобы он фиксировал адрес для каждого клиента. Это хороший вариант, если у вас достаточно широкий диапазон IP-адресов и вы можете позволить себе фиксировать IP для каждого клиента. 

Второй способ – настроить взаимодействие между DHCP и DNS-серверами. Если вы хотите избежать неэкономного использования IP-адресов, то это более эффективный вариант.

Важно, чтобы при взаимодействии DHCP и DNS последний мог получать информацию о новых IP-адресах клиентов и связывать их с заданными именами. Если серверы не взаимодействуют, могут появиться ошибки и проблемы с доступностью клиентов.

Настроить это взаимодействие можно с помощью пакета dnsmasq, который доступен в стандартных репозиториях Ubuntu и Debian:

1. Определитесь с компьютером, который будет выполнять роль сервера. Выберите компьютер (Ubuntu Server или Ubuntu Desktop), который вы не планируете слишком часто выключать, так как при выключении сервера сеть также будет недоступна.
2. Назначьте выбранному компьютеру статический IP-адрес. Для этого отредактируйте файл конфигурации сети, который находится в директории «/etc/network/interfaces».
3. Установите пакет dnsmasq, прописав команду в терминале:

4. Откройте файл конфигурации dnsmasq, который находится по пути «/etc/dnsmasq.conf». Он содержит комментарии с объяснениями к каждой настройке. Необходимо удалить решетку (#) в начале строк, чтобы активировать нужные настройки.
5. Чтобы настроить брандмауэр, используйте инструмент Ubuntu Uncomplicated Firewall (ufw). 

Выполните следующие команды:

6. Зайдите в настройки роутера через браузер, отключите DHCP для локальной сети и укажите настройки DNS так, чтобы они указывали на ваш сервер.
7. Перезапустите сеть на сервере с помощью команд:

Заключение

Протокол DHCP – это важный инструмент для автоматической настройки сетевых параметров в современных сетях. Основная цель DHCP – упростить и автоматизировать процесс присвоения IP-адресов и других сетевых настроек: например, к ним относятся маска подсети, шлюз по умолчанию и адреса DNS-серверов.

Чтобы успешно реализовать DHCP в сети необходимо обеспечить надёжность и безопасность DHCP-сервера, а также учитывать потенциальные задержки и ограничения в настройках.