Dhcp сервер что это такое
DHCP-сервер
Протокол динамической конфигурации хоста DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – один из основополагающих протоколов, как в локальных сетях, так и в Интернет.
Под словом «хост» в ИТ чаще всего подразумевается компьютер, иногда сервер (тоже компьютер). Почему компьютер или сервер называется «хост» (host – англ. «хозяин»), никто не знает. Вероятно, возникновение этого термина восходит ко временам больших ЭВМ (мейнфреймов), к которым тогдашние пользователи могли подключаться удалённо, например, по телефонной линии. Только вместо собственного компьютера у них был лишь алфавитно-цифровой дисплей с клавиатурой.
Рис. 1. «Менйфрейм» со множеством дисплеев.
Таких дисплеев к главному и единственному компьютеру (хосту) можно было подключить много (в режиме разделения времени), и пользователи, работающие на них, считали, что весь «мейнфрейм» находится полностью в их распоряжении. А чтобы каждый пользователь получал только предназначенную ему информацию и не мог вторгнуться в анналы другого пользователя на хосте, были придуманы различные методы разделения доступа, результатом эволюции которых явился протокол DHCP. Он был разработан в 1993 году, когда уже существовали персональные компьютеры, а «мейнфреймы» стали отходить на второй план. Поэтому термин «host» продолжал использоваться, но уже в отношении персонального компьютера.
Таким образом, DHCP – это стандартный протокол в сети с архитектурой «клиент-сервер», который динамически назначает IP-адреса и другую необходимую информацию конфигурации для новых устройств в сети. Каждое сетевое устройство должно иметь собственный, уникальный IP-адрес, чтобы в сети не возникали конфликты. IP-адрес, конечно, можно прописать для компьютера вручную, т.е. статически, и не менять его в дальнейшем. В небольших сетях, на 2-5 компьютеров, так иногда и делается. Но если компьютеров в сети десятки и сотни, то уследить за уникальностью сетевых адресов будет весьма проблематично. Хотя и в таких сетях тоже могут использоваться статические IP-адреса, например, для принтеров.
Для автоматизации процесса назначения уникальных IP-адресов устройствам, входящим в сеть, был разработан протокол DHCP, который работает на специальном сервере, называемом, соответственно, DHCP-сервер.
Протокол DHCP широко используется в повседневной жизни, причем, совершенно незаметно для обычных пользователей. Примеры его использования:
Пользователь не замечает, как его устройство получает от DHCP-сервера IP-адрес и начинает работу в сети. Бывают и ситуации, когда сетевой адрес устройства лучше прописывать постоянно и не менять, если это, например, основной сервер или принтер. Поэтому, в протоколе DHCP используется резервирование, т.е. область IP-адресов, зарезервированная для статического назначения определённым устройствам.
DHCP-сервер автоматически распределяет и обновляет IP-адреса и другую информацию конфигурации компьютеров (DHCP-клиентов) в сети. Для DHCP-клиентов эта информация предоставляется при помощи обмена сообщениями, порядок которых определяется протоколом DHCP, и такой обмен называется DHCP-транзакцией. Если DHCP-сервер и DHCP-клиент расположены в разных подсетях (subnets), то используется агент-ретранслятор DHCP (DHCP relay agent), чтобы DHCP-транзакцию можно было провести между разными подсетями.
DHCP, как определено в документе RFC 2131, был разработан на базе протокола BOOTP (Bootstrap Protocol), с помощью которого клиент может автоматически получить IP-адрес, обычно, во время загрузки компьютера.
Как работает DHCP
Архитектура DHCP включает DHCP-клиенты, DHCP-серверы и агенты-ретрансляторы DHCP. Клиент общается с DHCP-сервером используя стандартные сообщения DHCP для получения и обновления выделяемых ему IP-адресов.
DHCP-клиент
DHCP-клиент – это любое IP-устройство, подключаемое к сети, запрашивающее IP-адрес и параметры конфигурации от DHCP-сервера. Они передаются в поле Options сообщения DHCP. Это поле используется для назначения дополнительных параметров, таких как адрес IP-шлюза, адрес DNS-сервера и доменное имя DNS.
DHCP-сервер
DHCP-сервер содержит пространство (пул) IP-адресов, которые он использует по собственному усмотрению для автоматического назначения их устройствам, по мере их появления в сети. DHCP-сервер назначает устройствам в сети следующие параметры:
Агент-ретранслятор DHCP
Агент-ретранслятор DHCP (DHCP relay agent) передаёт сообщения DHCP между сервером и клиентами, когда они не находятся в одной подсети. Таким образом, в больших сетях, состоящих из многих подсетей, один DHCP-сервер может обслуживать всю сеть при помощи агентов-ретрансляторов, которые располагаются на граничных маршрутизаторах подсетей. В сети можно сконфигурировать до 400 агентов-ретрансляторов. Их можно использовать для защиты от спуфинг-атак, когда недоверенные компьютеры пытаются получить доступ к IP-адресам сети.
DHCP-транзакция
При DHCP-транзакции выполняются обмен следующими сообщениями между портами DHCP-сервера и DHCP-клиента:
Рис. 2. Процесс DHCP-транзакции.
Возобновление назначения IP-адреса
Если клиенту нужно продлить время назначения (lease time), по истечении примерно 50% времени назначения IP-адреса, он должен выполнить процедуру возобновления назначения (lease renewal). При этом выполняется более простая процедура, чем начальное назначение IP-адреса.
Клиент посылает на DHCP-сервер запрос DHCP REQUEST, в котором указан назначенный ему ранее IP-адрес. Это сообщение отправляется только на сервер, выдавший этот адрес при назначении, а не по общей рассылке. Если сервер имеет возможность вновь назначить тот же IP-адрес, то он сразу же посылает сообщение DHCP ACK.
Освобождение IP-адреса
Если клиенту более не нужен назначенный ему IP-адрес, то он посылает сообщение об освобождении IP-адреса DHCP RELEASE на DHCP-сервер. После этого этот IP-адрес может быть назначен другому устройству при следующем запросе DHCP-сервера.
Конфигурация DHCP
При DHCP-транзакции могут конфигурироваться DHCP-серверы, DHCP-клиенты, агенты-ретрансляторы (Relay agent), а также пороги ограничения времени назначения (Short lease threshold).
Конфигурация DHCP-клиента
Интерфейс на сетевом устройстве может быть сконфигурирован либо со статическим (постоянным), либо динамическим IP-адресом, а также другими параметрами в поле Option сообщения DHCP:
Код параметра в поле Option
Описание
Маска подсети для устройства (subnet mask)
Список маршрутизаторов по умолчанию
Список серверов DNS
Имя домена, используемой для определения имён хостов в нём, либо список доменов.
Истечение заданного времени назначения (lease time)
Конфигурация DHCP-сервера
Для назначения IP-адресов клиентам, DHCP-сервер использует пул адресов. Этот пул содержит определённые параметры конфигурации, которые DHCP-сервер может назначать клиентам. Таких пулов на сервере может быть несколько для обслуживания разных сетей.
Конфигурация пула адресов предусматривает следующее:
Конфигурация агента-ретранслятора
Агент-ретранслятор DHCP передает сообщения протокола BOOTP между серверами и клиентами. Если в сети серверы DHCP и BOOTP не находятся в одной и той же подсети, то необходимы маршрутизаторы на границе подсетей, которые будут выполнять функции агента-ретранслятора адресов. Оба протокола, BOOTP и DHCP, используют сообщения BOOTP, что позволяет агенту-ретранслятору передавать все их пакеты.
Конфигурация порога короткого времени назначения (short lease threshold)
Время короткого назначения (short lease time) конфигурируется для различных ситуаций, например, для бесплатного доступа wifi в кафе. Можно назначить, например, один час бесплатного доступа, после чего пользователю будет необходимо вновь регистрироваться в сети. В условиях предприятия время назначения можно задавать в пределах дней или недель.
В некоторых сетях находится много мобильных устройств, которые многократно запрашивают IP-адрес, до того, как их время назначения истекает. Такое может случаться, если устройства покидают зону wifi на короткое время и снова возвращаются, либо связь теряется в случае нестабильности радиосигнала wifi в разных помещениях в зоне действия беспроводной сети.
Это означает, что один и тот же IP-адрес может иметь несколько времен назначения, что может занимать много места в системе резервирования файлов. Для этого установки времен назначения необходимо сохранять в постоянной памяти, чтобы, например, в случае перезагрузки DHCP-сервера или сбое питания, он не будет терять информацию о временах назначения IP-адресов для клиентов.
Можно сделать и так, что устройство будет просто запрашивать новый адрес при необходимости. В этом случае, можно установить порог кроткого времени назначения (short lease threshold), которое может составлять от 1 минуты до 24 часов. В этом случае, любое время назначения не превышающее порог short lease threshold, не будет сохраняться в резервной постоянной памяти.
Решение DDI
Основными элементами управления в IP-сетях являются DNS, DHCP и управление IP-адресами IPAM (IP address management). Эти элементы тесно связаны друг с другом. Однако, раздельное управление этими элементами создает много проблем в плане эффективности и операционными рисками, например:
Решение DDI даёт возможность интегрированного администрирования DNS-DHCP-IPAM и сетевых интерфейсов устройств в едином процессе. При этом можно достигнуть высокой доступности, эластичности в масштабировании ресурсов сети в едином процессе администрирования на основе задаваемых политик. Кроме того, такое решение может значительно повысить «видимость» управления на базе единой панели администрирования и общую «целостность» сети.
Принципы работы протокола DHCP
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.
Для чего нужен протокол DHCP
DHCP — протокол прикладного уровня модели TCP/IP, служит для назначения IP-адреса клиенту. Это следует из его названия — Dynamic Host Configuration Protocol. IP-адрес можно назначать вручную каждому клиенту, то есть компьютеру в локальной сети. Но в больших сетях это очень трудозатратно, к тому же, чем больше локальная сеть, тем выше возрастает вероятность ошибки при настройке. Поэтому для автоматизации назначения IP был создан протокол DHCP.
Впервые протокол был описан в 1993 году в документе RFC 1531, но с тех пор в описание вносились правки. На сегодняшний день основным документом, регламентирующим протокол, является RFC 2131. Помимо автоматизации процесса настройки IP, DHCP позволяет упростить диагностику подключения и переход из одной подсети в другую, оставляя уведомления для системного администратора в логах.
Принцип работы DHCP
Из вступления ясно, какие функции предоставляет DHCP, но по какому принципу он работает? Получение адреса проходит в четыре шага. Этот процесс называют DORA по первым буквам каждого шага: Discovery, Offer, Request, Acknowledgement.
Давайте подробнее рассмотрим DORA — принцип работы DHCP.
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.
Срок аренды
Когда DHCP-сервер выделяет IP из области, он оставляет запись о том, что этот адрес зарезервирован за клиентом с указанием срока действия IP. Этот срок действия называется срок аренды (lease time). Срок аренды может составлять от 24 часов до нескольких дней, недель или даже месяцев, он задается в настройках самого сервера.
Предоставление адреса в аренду, а не на постоянной основе необходимо по нескольким причинам. Во-первых, это разумное использование IP-адресов — отключенные или вышедшие из строя клиенты не резервируют за собой адрес. Во-вторых, это гарантия того, что новые клиенты при необходимости смогут получить уникальный адрес.
После получения адреса из области, клиент берет его в аренду на время, называемое T. Клиент переходит в связанное (BOUND) состояние и продолжает нормальную работу, пока не наступит время половины срока аренды — T1.
По наступлении T1 клиент инициализирует процедуру получения нового IP или обновления адреса — состояние RENEWING. Процесс повторного получения происходит по упрощенной схеме: клиент прямым сообщением запрашивает (DHCPREQUEST), а сервер подтверждает (DHCPACK) запрос. Время аренды начинает отсчитываться заново.
Если подтверждение (DHCPACK) от сервера не поступает, клиент снова запрашивает адрес, но только когда истекает половина T1. Если запрос адреса остается без ответа второй раз, клиент отправляет еще одно сообщение, когда истекает половина от T1/2 (25% от полного срока аренды). Следующий запрос будет отправлен после истечения еще половины оставшегося времени, потом еще половины. И так далее, пока не наступит T2, которое равняется 87,5%, или 7/8 от всего времени аренды. После T2 все попытки продлить аренду IP будут широковещательными. Это значит, что, если первый сервер по какой-то причине недоступен, на запрос адреса сможет ответить любой другой, и работа не будет прервана.
Три подхода к распределению адресов
Сервер назначает IP одним из трех основных способов.
Статическое распределение (static allocation). Почти как ввод адреса на каждом компьютере вручную. Отличие в том, что системный администратор задает нужные соответствия IP для MAC-адресов клиентов на самом DHCP-сервере. IP останется за клиентом, даже если тот выйдет из сети, отключится, перейдет в новую сеть и т.п.
Автоматическое распределение (automatic allocation). Сервер закрепляет IP из области за каждым клиентом навсегда. Срок аренды не ограничен.
Динамическое распределение (dynamic allocation). DHCP-сервер назначает адрес из области на определенное время, называемое сроком аренды. Такой подход полезен, если число доступных IP ограничено. IP назначается каждому клиенту при подключении к сети и возвращается в область, как только клиент его освобождает. В таком случае IP может отличаться при каждом подключении, но обычно назначается прежний.
Особые DHCP сообщения
Кроме DORA — четырех сообщений для получения адреса — DHCP использует и другие. Давайте рассмотрим каждое.
DHCPNAK. Нередко в источниках можно встретить написание DHCPNACK, что является неправильным, так как RFC 2131 регламентирует именно NAK. DHCPNAK отправляется сервером вместо окончательного подтверждения. Такой отказ может быть отправлен клиенту, если аренда запрашиваемого IP истекла или клиент перешел в новую подсеть.
DHCPRELEASE. Клиент отправляет это сообщение, чтобы уведомить сервер об освобождении занимаемого IP. Иными словами, это досрочное окончание аренды.
DHCPINFORM. Этим сообщением клиент запрашивает у сервера локальные настройки. Отправляется, когда клиент уже получил IP, но для правильной работы ему требуется конфигурация сети. Сервер информирует клиента ответным сообщением с указанием всех запрошенных опций.
Опции DHCP
Для работы в сети клиенту требуется не только IP, но и другие параметры DHCP — например, маска подсети, шлюз по умолчанию и адрес сервера. Опции представляют собой пронумерованные пункты, строки данных, которые содержат необходимые клиенту сервера параметры конфигурации. Дадим описания некоторым опциям:
Option 82 — ретрансляция DHCP-сервера
Option 82 — информация об агенте ретрансляции (relay agent information). Благодаря ретранслятору клиент и сервер могут общаться, находясь в разных подсетях. По умолчанию широковещательные сообщения не могут выходить за пределы текущего широковещательного домена (подсети). Внимательный читатель скажет, что выше мы писали, как клиент отправляет широковещательное сообщение DHCPDISCOVER всем доступным DHCP-серверам. А что если в сети нет DHCP?
Предположим, широковещательные сообщения не выходят за пределы подсети компании, которая не установила DHCP-сервер. В таком случае сообщение DHCPDISCOVER должно будет пропасть, и ни один компьютер компании не сможет выйти в интернет. Однако в реальности отсутствие DHCP-сервера не мешает выходу в сеть.
Значит ли это, что широковещательные сообщения каким-то образом выходят за пределы подсети? Не совсем. За пределы подсети выходят только широковещательные DHCP-сообщения. Это становится возможным благодаря агенту ретрансляции. Обычно в его роли выступает маршрутизатор или сервер. Ретранслятор получает сообщения от клиента в своей подсети, направляют его на DHCP-сервер, который тем же образом — через ретранслятор — отправляет ответ. Так ретранслятор выступает в качестве посредника между подсетями.
Опции DHCP для загрузки PXE
Протокол DHCP позволяет загрузку компьютера без использования носителя данных. Такая загрузка происходит с сетевой карты и называется PXE (Preboot eXecution Environment). Для конфигурации сетевой загрузки LEGACY BIOS PXE используются DHCP-опции 43, 60, 66 и 67.
Взаимодействие DHCP и DNS
Как мы упоминали выше, Option 6 — это сервер DNS. Давайте рассмотрим подробнее взаимодействие двух протоколов.
DNS (система доменных имен) отвечает за соответствие доменных имен и IP-адресов. Доменное имя — это не только адрес в интернете, например, selectel.ru, но также имя компьютера в локальной сети, например, Director PC. DNS проводит соединительную линию между IP и буквенно-числовым доменным именем компьютера или веб-сайта. DHCP занимается выделением и назначением IP из области. Очевидно, что два протокола должны тесно взаимодействовать между собой.
В статье мы уже говорили, что DHCP-сервер имеет область IP-адресов, которые допускается распределять между клиентами в сети. DNS-сервер занимается тем, что сопоставляет IP-адреса и доменные имена. Это не только имена сайтов, но и имена компьютеров в сети, (например, NetworkServer PC).
Если вы хотите создать свою локальную сеть на базе Linux, потому что это бесплатно и вы не хотите связываться Windows, то вы можете столкнуться с проблемой взаимодействия DNS и DHCP. Linux не имеет Active Directory, как в Windows, позволяющей тесно связать DHCP и DNS, избегая необходимости обращаться к клиенту каждый раз по IP. Однако способы организовать такую связь существуют и для свободной системы.
Первый вариант — настроить DHCP-сервер так, чтобы фиксировал адрес за клиентом. Второй вариант — настроить взаимодействие DHCP- и DNS- серверов. Первый вариант подходит, если область IP-адресов широкая и вы можете позволить себе фиксировать IP за каждым клиентом. Если же для вас такой метод будет расточительным, то необходимо дать двум серверам работать вместе.
Взаимодействие DHCP и DNS необходимо для того, чтобы DNS-сервер вовремя получал информацию о новом IP клиента и мог сопоставить его с именем клиента в сети. Если сервера не будет взаимодействовать, это чревато ошибками и недоступностью клиентов.
Настроить данное взаимодействие можно в четыре шага при помощи пакета dnsmasq, доступного в стандартных репозиториях Ubuntu и Debian. Мы не будем давать детальную инструкцию по осуществлению, а лишь кратко опишем каждый шаг.
Шаг 1 — конфигурация сети
В первую очередь необходимо определиться с компьютером, который будет выполнять роль сервера. Важно выбрать тот компьютер (Ubuntu Server или Ubuntu Desktop), который вы не планируете выключать слишком часто. Если после полной настройки вы решите выключить компьютер, то вся сеть тоже выключится.
Выбранному компьютеру необходимо назначить статический IP. Делается это редактированием конфигурационного файла в директории /etc/network/interfaces.
Шаг 2 — установка dnsmasq
Установите пакет dnsmasq командой из терминала:
А затем откройте файл конфигурации /etc/dnsmasq.conf. Файл конфигурации dnsmasq очень большой, но он содержит комментарии с объяснениями того, за что отвечает каждая настройка. Чтобы добавить требуемые настройки, откройте файл и удалите решетку (#), означающую комментарий, в начале нужных строк.
Шаг 3 — настройка фаервола
Для изменения настроек фаервола можно использовать Ubuntu Uncomplicated Firewall. Используйте следующие команды:
Шаг 4 — изменение настроек роутера
Зайдите в настройки вашего роутера из браузера, отключите DHCP для локальной сети, измените все настройки DNS так, чтобы они указывали на ваш только что настроенный сервер. Последнее действие — перезапуск сети на сервере. Для этого вы можете просто перезагрузить компьютер или использовать команды:
Недостатки протокола DHCP
DHCP имеет свои уязвимости. Основная заключается в четырех шагах, необходимых для получения IP. Процесс DORA подразумевает рассылку сообщений широковещательного типа, когда первый откликнувшийся DHCP-сервер получает возможность предложить IP из своей области. Если злоумышленник сможет использовать свой сервер, который даст самый быстрый ответ клиенту, то у него откроется возможность получить контроль над действиями пользователя в сети и нанести существенный ущерб.
Еще одна брешь в безопасности — в том, что DHCP использует UDP-протокол. UDP — протокол обмена датаграммами без установления соединения, а значит, и без шифрования. Передаваемая по UDP информация не защищена и может быть «подслушана», что также может быть использовано злоумышленниками.
Третий недостаток — вновь ненадежность UDP, но другого рода. UDP не обеспечивает гарантию доставки информации. Этот протокол допускает потери и ошибки, которые могут сказаться и на работе DHCP, в частности при PXE-загрузке.
Заключение
Мы рассмотрели основные принципы работы DHCP-серверов. Несмотря на недостатки и частые доработки, протокол DHCP широко используется в современных сетях. Также изучили процесс DORA, основные опции и другие аспекты протокола. Надеемся, эта статья оказалась вам полезна.