DHCP: искусство управления IP-адресами

Павел ИВАНОВ, СЕТИ #10/99

Появление протокола Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) заметно упростило жизнь сетевых администраторов. Если раньше IP-адреса приходилось задавать вручную (хорошо еще, если с центральной консоли), то теперь эта процедура выполняется автоматически.

Протокол DHCP был предложен в 1993 г., его развитием занимается специальная рабочая группа (DHC WG), входящая в состав IETF. Наиболее полное современное описание DHCP содержится в документе RFC 2131 (март 1997 г.), который пришел на смену более ранним редакциям RFC 1531 и 1541. В настоящее время DHCP имеет статус предварительного стандарта.

DHCP появился не на пустом месте - различные схемы управления IP-адресами в сетевой среде предлагались и раньше (см. врезку <Распределение IP-адресов...>). Однако эти схемы имеют по крайней мере один из двух недостатков - не допускают динамического назначения IP-адресов либо позволяют передавать от сервера на станцию-клиент лишь небольшое число параметров конфигурации.

При разработке протокола DHCP преследовалась цель устранить оба ограничения. Требовался механизм, который позволил бы ликвидировать стадию ручного конфигурирования компьютеров, поддерживал многосегментные сети, не требуя наличия DHCP-сервера в каждой подсети, не конфликтовал с существующими сетевыми протоколами и компьютерами, имеющими статичную конфигурацию, был способен взаимодействовать с ретранслирующими агентами протокола BOOTP и обслуживать BOOTP-клиентов, наконец, допускал управление передаваемыми параметрами конфигурации. Что касается более узких задач, то DHCP должен был обеспечивать уникальность сетевых адресов, используемых разными компьютерами сети в данный момент, сохранение прежней конфигурации клиентской станции после перезагрузки клиента или сервера, автоматическое присвоение параметров конфигурации вновь подключенным машинам.

Поле	Описание
op	Тип сообщения (1 = BOOTREQUEST, 2 = BOOTREPLY)
htype	Тип адреса оборудования
hlen	Длина адреса оборудования
hops	Используется ретранслирующим агентом
xid	Идентификатор транзакции между сервером и клиентом
secs	Время с момента выдачи DHCPREQUEST или начала обновления конфигурации
flags	Флаги (первый бит маркирует широковещательные сообщения)
ciaddr	IP-адрес клиента
yiaddr	<Ваш> (клиентский) IP-адрес
siaddr	IP-адрес следующего сервера, участвующего в загрузке
giaddr	IP-адрес ретранслирующего агента
chaddr	<Аппаратный> адрес клиента
sname	Хост-имя сервера (опция)
file	Имя загрузочного файла
options	Поле дополнительных параметров

Принципы архитектуры и формат сообщений

Работа протокола DHCP базируется на классической схеме клиент-сервер. В роли клиентов выступают компьютеры сети, стремящиеся получить IP-адреса в так называемую аренду (lease), а DHCP-серверы выполняют функции диспетчеров, которые выдают адреса, контролируют их использование и сообщают клиентам требуемые параметры конфигурации. Сервер поддерживает пул свободных адресов и, кроме того, ведет собственную регистрационную базу данных. Взаимодействие DHCP-серверов со станциями-клиентами осуществляется путем обмена сообщениями.

Рис. 1. Формат сообщения DHCP (в скобках - размер поля в байтах)

Упомянутое выше требование поддержки базовых элементов протокола BOOTP возникло не случайно. DHCP разрабатывался как непосредственное расширение BOOTP и именно в таком качестве воспринимается BOOTP-клиентами. Этому обстоятельству в первую очередь способствует формат сообщений DHCP, во многом совпадающий с форматом, который применяется протоколом-предшественником и определен в документе RFC 951 (рис. 1).

Сравнивая протоколы BOOTP и DHCP, нельзя не отметить появления в DHCP новых услуг. Во-первых, в этом протоколе предусмотрен механизм автоматической выдачи IP-адресов во временное пользование с возможностью их последующего присвоения новым клиентам. Во-вторых, клиент может получить от сервера все параметры конфигурации, которые ему необходимы для успешного функционирования в IP-сети.

Указанные отличия потребовали частичного расширения формата сообщений. Так, в нем появилось отдельное поле идентификатора клиента, сделана более прозрачной интерпретация адреса сервера (поле siaddr), переменный размер получило поле options, используемое, в частности, для передачи параметров конфигурации (его длина обычно находится в диапазоне 312-576 байт, хотя возможно и дополнительное расширение этого поля за счет полей sname и file).

В роли транспортного протокола для обмена DHCP-сообщениями выступает UDP. При отправке сообщения с клиента на сервер используется 67-й порт DHCP-сервера, при передаче в обратном направлении - 68-й. Эти номера портов, как и схожая структура сообщений, обеспечивают обратную совместимость DHCP с BOOTP. Конкретные процедуры взаимодействия клиентов и серверов BOOTP и DHCP регламентирует документ RFC 1542.

Управление IP-адресами

Протокол DHCP поддерживает три механизма выделения адресов: автоматический, динамический и ручной. В первом случае клиент получает постоянный IP-адрес, в последнем DHCP используется только для уведомления клиента об адресе, который администратор присвоил ему вручную. Оба эти варианта не таят в себе чего-либо принципиально нового, а вот динамический механизм заслуживает детального рассмотрения.

Выдача адреса в аренду производится по запросу клиента. DHCP-сервер (или группа серверов) гарантирует, что выделенный адрес до истечения срока его аренды не будет выдан другому клиенту; при повторных обращениях сервер старается предложить клиенту адрес, которым тот пользовался ранее. Со своей стороны, клиент может запросить пролонгацию срока аренды адреса либо, наоборот, досрочно отказаться от него. Протоколом предусмотрена также выдача IP-адреса в неограниченное пользование. При острой нехватке адресов сервер может сократить срок аренды адреса по сравнению с запрошенным.

Рис. 2. Последовательность событий при выделении IP-адреса

Выдача нового адреса. Последовательность событий в этом случае такова (рис. 2).

1. Клиент посылает в собственную физическую подсеть широковещательное сообщение DHCPDISCOVER, в котором могут указываться устраивающие клиента IP-адрес и срок его аренды. Если в данной подсети DHCP-сервер отсутствует, сообщение будет передано в другие подсети ретранслирующими агентами протокола BOOTP (они же вернут клиенту ответные сообщения сервера).

2. Любой из DHCP-серверов может ответить на поступившее сообщение DHCPDISCOVER сообщением DHCPOFFER, включив в него доступный IP-адрес (yiaddr) и, если требуется, параметры конфигурации клиента. На этой стадии сервер не обязан резервировать указанный адрес. В принципе, он имеет право предложить его другому клиенту, также отправившему запрос DHCPDISCOVER. Тем не менее спецификации RFC 2131 рекомендуют серверу без необходимости не применять подобную тактику, а кроме того, убедиться (например, выдав эхо-запрос ICMP) в том, что предложенный адрес в текущий момент не используется каким-либо из компьютеров сети.

3. Клиент не обязан реагировать на первое же поступившее предложение. Допускается, чтобы он дождался откликов от нескольких серверов и, остановившись на одном из предложений, отправил в сеть широковещательное сообщение DHCPREQUEST. В нем содержатся идентификатор выбранного сервера и, возможно, желательные значения запрашиваемых параметров конфигурации.

Не исключено, что клиента не устроит ни одно из серверных предложений. Тогда вместо DHCPREQUEST он снова выдаст в сеть запрос DHCPDISCOVER, а серверы так и не узнают, что их предложения отклонены. Именно по этой причине сервер не обязан резервировать помещенный в DHCPOFFER адрес.

Если в процессе ожидания серверных откликов на DHCPDISCOVER достигнут тайм-аут, клиент выдает данное сообщение повторно.

4. Присутствующий в сообщении DHCPREQUEST идентификатор позволяет соответствующему DHCP-серверу убедиться в том, что клиент принял именно его предложение. В ответ сервер отправляет подтверждение DHCPACK, содержащее значения требуемых параметров конфигурации, и производит соответствующую запись в базу данных.

Если к моменту поступления сообщения DHCPREQUEST предложенный адрес уже <ушел> к другому клиенту (например, первая станция слишком долго <размышляла> над поступившими предложениями), сервер отвечает сообщением DHCPNACK.

5. Получив сообщение DHCPACK, клиент обязан убедиться в уникальности IP-адреса (средствами протокола ARP) и зафиксировать суммарный срок его аренды. Последний рассчитывается как время, прошедшее между отправкой сообщения DHCPREQUEST и приемом ответного сообщения DHCPACK, плюс срок аренды, указанный в DHCPACK.

Обнаружив, что адрес уже используется другой станцией, клиент обязан отправить серверу сообщение DHCPDECLINE и не ранее чем через 10 с начать всю процедуру снова. Процесс конфигурирования возобновляется и при получении серверного сообщения DHCPNACK.

При достижении тайм-аута в процессе ожидания серверных откликов на сообщение DHCPREQUEST клиент выдает его повторно.

6. Для досрочного прекращения аренды адреса клиент отправляет серверу сообщение DHCPRELEASE.

Приведенная последовательность действий заметно упрощается, если станция-клиент желает повторно работать с IP-адресом, который когда-то уже был ей выделен. В этом случае первым отправляемым сообщением является DHCPREQUEST, в котором клиент указывает прежде использовавшийся адрес. В ответ он может получить сообщение DHCPACK или DHCPNACK (если адрес занят либо клиентский запрос является некорректным, например из-за перемещения клиента в другую подсеть). Обязанность проверить уникальность IP-адреса опять-таки возлагается на клиента.

Выбор адреса DHCP-сервером. Если на момент получения запроса DHCPDISCOVER сервер не располагает свободными IP-адресами, он может направить уведомление о возникшей проблеме администратору. В противном случае при выборе адреса обычно применяется следующий алгоритм. Клиенту выделяется адрес, записанный за ним в данный момент. Если это невозможно, сервер предложит адрес, которым пользовался клиент до окончания срока последней аренды (при условии, что данный адрес свободен), либо адрес, запрошенный самим клиентом при помощи соответствующей опции (опять же, если адрес не занят). Наконец, в том случае, когда все предыдущие варианты не проходят, новый адрес выбирается из пула доступных адресов с учетом подсети, из которой поступил клиентский запрос.

Заметим, что исходя из определенной сетевым администратором политики сервер может выдать клиенту адрес, отличающийся от запрошенного (даже при доступности последнего), вообще отказать в предоставлении адреса или предложить адрес, относящийся к другой подсети. Более того, DHCP-сервер вообще не обязан реагировать на каждый поступивший запрос DHCPDISCOVER. Это предоставляет администратору возможность контролировать доступ к сети, например разрешив серверу отвечать только тем клиентам, которые предварительно зарегистрировались с помощью специальной процедуры.

Истечение срока аренды. По мере того как срок аренды подходит к концу, клиент может завершить работу с данным адресом, отправив на DHCP-сервер сообщение DHCPRELEASE, либо заблаговременно запросить продление срока аренды. В первом случае возвращение в сеть потребует выполнения всей процедуры инициализации заново. Во втором - станция продолжит функционировать в сети без видимого замедления работы пользовательских приложений.

При пролонгировании аренды клиент проходит два состояния - обновления адреса (RENEWING) и обновления конфигурации (REBINDING). Первое наступает примерно на половине срока аренды адреса (так называемый момент T1), второе - по истечении приблизительно 7/8 полного времени аренды (момент T2); для рассинхронизации процессов реконфигурирования разных клиентов значения этих временных меток рандомизируются с помощью случайной добавки.

В момент T1 клиент оправляет DHCP-серверу, выдавшему адрес, сообщение DHCPREQUEST с просьбой продлить срок аренды. Получив положительный ответ (DHCPACK), клиент пересчитывает срок аренды и продолжает работу в обычном режиме. Клиент ожидает прихода ответа от сервера в течение (T2 - t)/2 с (при условии, что это значение не меньше 60 с), где t - время отсылки последнего сообщения DHCPREQUEST, после чего отправляет данное сообщение повторно.

Если ответ от сервера не поступил к моменту T2, клиент переходит в состояние REBINDING и передает уже широковещательное сообщение DHCPREQUEST со своим текущим сетевым адресом. В этом случае моменты повторных выдач запросов DHCPREQUEST рассчитываются аналогично предыдущему случаю, только вместо T2 фигурирует время окончания срока аренды.

Не исключено, однако, что ответ DHCPACK не придет до окончания срока аренды. Тогда клиент обязан немедленно прекратить выполнение любых сетевых операций и заново начать процесс инициализации. Если запоздавший ответ DHCPACK все-таки поступит, клиенту рекомендуется сразу же возобновить работу под прежним адресом.

Параметры конфигурации

Хранение параметров сетевой конфигурации станций-клиентов является второй услугой, предоставляемой DHCP-сервером. В создаваемой базе данных на каждого клиента заводится отдельная запись с уникальным ключом-идентификатором и строкой конфигурационных параметров.

Роль идентификатора может играть пара <номер подсети IP, аппаратный адрес>, которая позволит использовать аппаратный адрес сразу в нескольких подсетях, либо пара <номер подсети IP, имя хост-компьютера>, позволяющая серверу взаимодействовать с клиентом, перемещенным в другую подсеть.

Что касается собственно параметров конфигурации, то их набор, поддерживаемый протоколом DHCP, определен в спецификациях RFC 1122, 1123, 1196 и 1256. В него входят выданный адрес, срок его аренды, назначавшиеся ранее адреса, а также максимальный размер реассемблируемого пакета, перечень фильтров для нелокальной маршрутизации от источника, адрес, используемый в широковещательных пакетах, параметры статических маршрутов и т.д. Впрочем, из всей совокупности допустимых параметров (а их более 30) в процессе инициализации могут передаваться только те, которые действительно необходимы для работы клиента либо определяются спецификой конкретной подсети.

Редукция объема передаваемых сведений о конфигурации достигается двумя способами. Во-первых, для большей части параметров в упомянутых выше документах RFC определены значения, принимаемые по умолчанию. Клиент будет использовать их, если в сообщении, поступившем от сервера, какие-то параметры опущены. Во-вторых, отправляя сообщение DHCPDISCOVER или DHCPREQUEST, клиентская станция может явно указать в нем параметры, значения которых она хотела бы получить.

Очевидно, что в обоих случаях передача параметров конфигурации осуществляется в ходе основной процедуры выделения IP-адреса. Возможен, однако, случай, когда клиент уже имеет IP-адрес (например, он был задан вручную). Тогда он может выдать сообщение DHCPINFORM*, содержащее уже имеющийся адрес и запрос об отдельных параметрах конфигурации. Получив это сообщение, DHCP-сервер проверяет правильность адреса клиента (но не наличие аренды) и направляет ему сообщение DHCPACK с требуемыми параметрами конфигурации.

Отметим одно логическое противоречие, с которым связано применение протокола DHCP. Алгоритм выделения IP-адреса компьютеру сети предполагает, что установленное на нем программное обеспечение TCP/IP в состоянии воспринимать адресованные ему посредством <аппаратного> адреса IP-пакеты и транслировать их на IP-уровень еще до того, как станция получит свой IP-адрес, а сами средства TCP/IP будут полностью сконфигурированы. Такая возможность, очевидно, существует не всегда. Для работы с клиентами, не способными корректно обрабатывать одноадресные IP-дейтаграммы, используется поле flags. Такие клиенты должны установить первый бит данного поля в единичное значение, тем самым указав серверу на необходимость отправки в соответствующую подсеть только широковещательных сообщений.

Недостатки DHCP

Освобождая сетевых администраторов от множества рутинных операций, DHCP оставляет нерешенными ряд проблем, которые рано или поздно могут возникнуть в реальной сетевой среде.

К недостаткам этого протокола прежде всего следует отнести крайне низкий уровень информационной безопасности, что обусловлено непосредственным использованием протоколов UDP и IP. В настоящее время не существует практически никакой защиты от появления в сети несанкционированных DHCP-серверов, способных рассылать клиентам ошибочную или потенциально опасную информацию - некорректные или уже задействованные IP-адреса, неверные сведения о маршрутизации и т.д. И наоборот, клиенты, запущенные с неблаговидными целями, могут извлекать конфигурационные сведения, предназначенные для <законных> компьютеров сети, и тем самым оттягивать на себя значительную часть имеющихся ресурсов. Понятно, что возможности административного ограничения доступа, о которых говорилось выше, не способны закрыть эту брешь в системе информационной безопасности.

По мнению некоторых экспертов, в настоящее время DHCP недостаточно отказоустойчив. Протоколу явно недостает механизма активного уведомления клиентов об экстремальных ситуациях (например, о систематической нехватке адресов) и серверного подтверждения об освобождении адреса, иногда в сети наблюдаются всплески числа запросов на повторное использование адресов и т.д. Впрочем, работа над протоколом еще не завершена, и не исключено, что некоторые недостатки будут устранены в последующих редакциях.

* * *

Приступая к написанию статьи, автор ставил себе целью изложить основные принципы DHCP, которые позволили бы читателю получить представление о работе этого протокола, а также сопоставить его с другими механизмами распределения сетевых адресов. Многие детали при этом остались за кадром, однако следует иметь в виду, что DHCP еще не приобрел статуса индустриального стандарта, поэтому в ближайшее время могут увидеть свет новые его модификации.

Тем не менее, как частенько бывает в сетевой индустрии, механизмы DHCP уже реализованы в продуктах ряда производителей. К счастью, любые изменения в алгоритмах его работы легко учесть на программном уровне, так что, приобретая серверное или клиентское программное обеспечение определенной компании, можно не опасаться заточения в неприступную крепость патентованных решений. Скорее, следует обратить внимание на то, насколько удачно конкретная реализация DHCP вписывается в имеющуюся вычислительную среду и взаимодействует с другими сетевыми службами, в частности с DNS. Публикуемые в этом номере результаты сравнительных испытаний DNS- и DHCP-серверов (см. статью <Игра в имена>) способны стать неплохим подспорьем для пользователя.

Стоит принять во внимание и слабые стороны протокола, о которых говорилось выше. Внедряя в своей сети средства DHCP, администратор должен быть готов к возникновению проблем принципиального характера. Остается только надеяться, что их количество уменьшится в стандартизованном варианте протокола DHCP.

Распределение IP-адресов: возможны варианты

BOOTP, DRARP, TFTP, ICMP, NIP - вероятно, это еще не полный перечень протоколов, в той или иной мере претендующих на решение задачи управления IP-адресами и конфигурацией в сетевой среде. Не исключено, что после стандартизации DHCP довольно быстро вытеснит их со сцены, однако на сегодняшний день многие из названных протоколов нередко упоминаются в литературе и используются в готовых продуктах.

Подобно DHCP, протокол Bootstrap Protocol (BOOTP) сегодня также имеет статус предварительного стандарта и рекомендован к применению консорциумом IETF. Именно его следует считать непосредственным предшественником DHCP. Появившиеся в 1993 г. дополнения расширили перечень конфигурационных параметров, охватываемых протоколом BOOTP. Более того, к настоящему времени даже предложена модификация BOOTP, поддерживающая динамическое назначение IP-адресов.

Протокол Reverse Address Resolution Protocol (RARP), впервые описанный в июне 1984 г. (RFC 903), используется компанией Sun Microsystems и рядом других производителей, в частности, для запуска бездисковых рабочих станций. Основной принцип его работы сводится к тому, что клиент должен самостоятельно отыскать свой IP-адрес, а не принять адрес, выделенный сервером. Сравнительно недавно появился динамический вариант этого протокола (Dynamic RARP, DRARP), реализующий алгоритм автоматического присвоения IP-адресов. Стоит отметить, что изначальный вариант RARP не поддерживает передачу клиенту каких-либо параметров конфигурации (кроме IP-адреса), в том числе применяемых при маршрутизации. В результате один сервер RARP способен обслуживать только одну локальную сеть.

Упрощенный вариант FTP - протокол Trivial File Transfer Protocol (TFTP) - увидел свет около 20 лет назад, его вторая версия описана в документе RFC 783. Фактически TFTP предоставляет транспортный механизм для передачи с сервера загрузочного образа клиентской системы.

Протокол Internet Control Message Protocol (ICMP) сегодня также можно отнести к поколению ветеранов Всемирной сети. Он позволяет информировать компьютеры о наличии в сети дополнительных маршрутизаторов (имеется специальный механизм для обнаружения этих устройств), предусматривает специальные типы сообщений для передачи маски подсети и других служебных сведений.

Наконец, протокол Network Information Protocol (NIP) был разработан в конце 80-х гг. сотрудниками Массачусетского технологического института в качестве распределенного механизма для динамического присвоения IP-адресов в сетях Ethernet.

Отметим еще спецификации RFC 1122 и 1123, которые используются рядом протоколов (в том числе DHCP). Они содержат требования к процедуре изменения конфигурации компьютеров сети и, кроме того, предлагают сценарий первоначального конфигурирования бездисковых станций.

Время от времени можно встретить утверждение о том, что протокол DHCP и технология виртуальных частных сетей (VLAN) нацелены на решение одной и той же проблемы: они должны обеспечить свободное перемещение клиентов в сетевой среде. В действительности за приведенными выше аббревиатурами скрываются две совершенно разные концепции, причем подход на базе виртуальных ЛС является гораздо более революционным.

DHCP-сервер и ретранслирующие агенты позволяют так настроить параметры конфигурации компьютера, что после вывода из одной подсети и подключения к другой он сразу же становится полноправным членом новой подсети (поскольку конфигурация перемещенной машины изменяется автоматически). Если к тому же реализована поддержка динамического сервера доменных имен (Dynamic DNS), компьютер обретает свое прежнее имя.

Сетевое оборудование, наделенное средствами динамического формирования виртуальных ЛС, дает возможность так определить конфигурацию сети, что независимо от того, к какому порту концентратора или коммутатора будет подключена станция-клиент, она получит те же IP-адрес и имя и попадет в состав заранее описанной виртуальной локальной сети. Распределение же MAC-адресов по виртуальным ЛС может задаваться самой конфигурацией сети. Другой вариант предполагает, что IP-адреса распознаются по пакетам, которые поступают от станций-клиентов.

Итак, различия между протоколом DHCP и технологией VLAN можно суммировать следующим образом:

• DHCP изменяет конфигурацию перемещаемого компьютера, тогда как в сети с поддержкой VLAN изменение претерпевает сетевой порт, к которому подключается компьютер;
• динамическое изменение конфигурации средствами DHCP требует наличия DHCP-сервера, ретранслирующего агента в каждом маршрутизаторе и поддержки данного протокола клиентским ПО TCP/IP. В случае использования технологии виртуальных локальных сетей одна и та же схема VLAN должна поддерживаться всеми концентраторами (коммутаторами) сети, что открывает широкий простор для патентованных реализаций;
• DHCP позволяет сконфигурировать новую клиентскую станцию, а средства VLAN - нет;
• протокол DHCP служит прежде всего для обеспечения максимально динамичного конфигурирования сети, разделенной на подсети по территориальному признаку. Основное же назначение технологии VLAN состоит в объединении пользователей не по географическому, а по какому-либо иному, например функциональному, принципу (в соответствии с характером их деятельности или ролью в бизнесе компании).

Как ясно из этого краткого сравнения, одновременное использование в сети протокола DHCP (или его прообраза BOOTP) и средств VLAN может привести к серьезным конфликтам. Так, если группировка клиентов в виртуальные локальные сети осуществляется на основе IP-адресов источника (т.е. заранее заданной конфигурации), то получение конфигурационных данных по сети от DHCP-сервера исключается.

Источники информации

Спецификация протокола DHCP описана в RFC 2131 и ряде вспомогательных документов, перечень и тексты которых можно найти в Internet по адресу http://www.ietf.org/html.charters/dhc-charter.html. Там же имеется обширный список предварительных спецификаций (Internet Drafts), регламентирующих различные аспекты работы данного протокола.

Документы RFC содержатся и на ряде других Web-серверов, например http://info.internet.isi.edu/ls/in-notes/rfc/; http://www.cis.ohio-state.edu/hypertext/information/rfc.html; http://www.pmg.lcs.mit.edu/rfc.html.

Подборка документов Internet Drafts по протоколу DHCP размещена на серверах ftp.bucknell.edu/pub/dhcp/ и http://www.bucknell.edu/~droms/dhcp/.

Информация по протоколу DHCP, что называется, из первых рук, а также многие вспомогательные материалы доступны на сервере соответствующей рабочей группы: http://www.dhcp.org.