DHCPとは ― IPアドレスを自動で配るしくみ

端末をネットワークにつなぐと、多くの場合は何も入力しなくても通信が始まります。これはDHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）の働きです。DHCPサーバは、新しく参加した端末に次の4つをまとめて配ります。

1. 1

   IPアドレス

   この端末自身の住所です。

2. 2

   サブネットマスク

   住所のうち、どこまでがネットワークを示す部分かの境目です。

3. 3

   デフォルトゲートウェイ

   外向けの通信を預ける相手です。

4. 4

   DNSサーバ

   ドメイン名をIPアドレスに変換してくれる相手です。配られるのは、その相手のIPアドレスです。

それぞれの中身は、IPアドレス・サブネットマスク・デフォルトゲートウェイ・DNSの各記事で説明しています。

通常の通信では、宛先IPアドレスを指定して1対1で送ります。この送り方をユニキャストと呼びます。しかし、DHCPで最初にやり取りする端末は、まだIPアドレスを持っていません。宛先のDHCPサーバのIPアドレスも分かりません。

この問題を、DHCPはブロードキャストで解決します。ブロードキャストは、同一ネットワーク内の全員に一斉に届ける通信方法です。宛先は、255.255.255.255 にします。住所を持たない端末でも、宛先を名指しせずに「まだ住所がありません。DHCPサーバはいますか」と送り出せます。

DHCPでIPアドレスが決まるまでには、4つのメッセージをやり取りします。順に、DISCOVER、OFFER、REQUEST、ACKです。この流れを、4つのメッセージの頭文字を取ってDORAと呼びます。

DISCOVERとREQUESTは、必ずブロードキャストです。OFFERとACKは、端末側の実装しだいで、ブロードキャストになる場合とユニキャストになる場合があります。

① DISCOVER：端末がDHCPサーバを探す

端末は、「DHCPサーバはいませんか、IPアドレスをください」という要求をブロードキャストします。自分のIPアドレスがまだないため、送信元は 0.0.0.0 のままです。

② OFFER：サーバが候補を提案する

DISCOVERを受け取ったDHCPサーバは、割り当て候補のIPアドレスをOFFERで返します。OFFERには、サブネットマスク・デフォルトゲートウェイ・DNSサーバ・リース期間もまとめて入れます。

DISCOVERメッセージには、応答をブロードキャストで欲しいかどうかを示す印があります。この印をBROADCASTフラグと呼びます。端末がこのフラグを立てていれば、サーバはブロードキャストで返します。立てていなければ、端末のMACアドレス宛にユニキャストで返します。

このフラグを立てるかどうかは、端末の実装によって異なります。macOSやLinuxの標準的なDHCPクライアントは、通常は立てません。同じネットワークにDHCPサーバが複数あれば、それぞれが別々のOFFERを返すことがあります。

③ REQUEST：端末がどれか1つを選ぶ

端末は、届いたOFFERの中から1つを選びます。そして、「このIPアドレスをください」というREQUESTを送ります。OFFERとは違い、このREQUESTは常にブロードキャストです。

選んだサーバにだけユニキャストで伝えないのには、理由があります。他にOFFERを出した別のDHCPサーバにも、「あなたの提案は選ばれませんでした」と伝えるためです。そのサーバは、提案していたIPアドレスを解放し、他の端末に割り当てられるようにします。

④ ACK：選ばれたサーバが確定を返す

REQUESTで選ばれたDHCPサーバは、ACKを返します。ACKは、そのIPアドレスの割り当てを確定する知らせです。ACKもOFFERと同じく、端末のBROADCASTフラグの立て方しだいで、ブロードキャストかユニキャストかが決まります。

端末はACKを受け取って初めて、通知された4つの設定を自分に反映します。

DHCPで配られたIPアドレスは、永久に使えるわけではありません。期限つきで貸し出す形で割り当てられます。この貸し出しをリースと呼びます。期限が切れる前に、端末はサーバに更新を申し出ます。

更新を試みるタイミングは、リース期間の50%が経過した時点です。この時点をT1と呼びます。たとえばリース期間が8時間なら、4時間経過した時点で最初の更新を試みます。

この更新のREQUESTは、リースを出したDHCPサーバに直接ユニキャストで送られます。DORAの最初のREQUESTとは違います。端末はすでにIPアドレスを持ち、相手のサーバも分かっているためです。

更新が成功すると、リース期間はその時点から数え直しになります。

T1でのユニキャストによる更新に、応答がない場合もあります。そのとき、端末はそのまま待つわけではありません。リース期間の87.5%が経過した時点で、もう一度更新を試みます。この時点をT2と呼びます。

T2では、特定のサーバを指定せず、ブロードキャストで更新を試みます。同じネットワークにいる別のDHCPサーバでも、応答できるようにするためです。

T2でも更新できないまま、リース期間が満了することもあります。そうなると、そのIPアドレスは失効します。端末は最初のDISCOVERからやり直し、新しくIPアドレスを取得します。

DHCPは、コネクションを確立しないUDPでやり取りします。宛先IPアドレスがそもそも決まっていない以上、TCPのようにコネクションを結んでから話す方式は使えません。ポート番号は役割ごとに固定です。

DISCOVERとREQUESTは宛先67番、OFFERとACKは宛先68番です。サーバ側が常に67番、クライアント側が常に68番を使います。

サーバやプリンタ、ルータ・スイッチ自身などは、他の機器から名指しでアクセスされます。こうした機器は、IPアドレスが変わると困ります。そこで、固定IPを手動で設定します。

一方、PCやスマートフォンなどは、自分からアクセスする側の機器です。IPアドレスが多少変わっても困りません。DHCPに任せたほうが、設定の手間が省け、IPアドレスが重複する事故も防げます。

手動で設定せずに、DHCPで同じアドレスを毎回配る方法もあります。この方法と手動の設定の違いは、固定IPアドレスの記事で比べています。

ブロードキャストはルータを越えない

IPアドレスを取得するときのDORAでは、DISCOVERとREQUESTは必ずブロードキャストです。ブロードキャストは、同一ネットワーク内にしか届きません。ルータを越えて、別のネットワークに転送されることはありません。

そのため、DHCPサーバが別のネットワークにしかない場合、端末のDISCOVERはそのままでは届きません。この場合は、ルータなどにブロードキャストを代理で中継させます。この仕組みをDHCPリレーエージェントと呼びます。

DHCPサーバが見つからないとどうなるか

DISCOVERを送っても、一定時間OFFERが返ってこないことがあります。その場合、OSは169.254.0.0/16の範囲で、暫定的なアドレスを自分で割り当てます。このアドレスをAPIPAと呼びます。IPアドレスの構造にも出てきます。

このアドレスが付いているのは、DHCPサーバとの通信に失敗した証拠です。正常なDHCPでの割り当てではありません。

IPv6での自動設定

ここまでのDHCPは、IPv4のものです。IPv6には、似た働きをするDHCPv6があります。ほかに、DHCPサーバなしで端末自身がアドレスを組み立てる仕組みもあり、SLAACと呼びます。どちらもIPv6の記事で説明しています。

不正なDHCPサーバが混ざるとどうなるか

DORAのやり取りには、応答してきた相手が正規のDHCPサーバかどうかを確かめる仕組みがありません。端末は、届いたOFFERの送り主が正規のサーバかどうかを区別できません。同じLANに攻撃者が用意した不正なDHCPサーバが混ざると、端末がそちらのOFFERを選んでしまうことがあります。スイッチ側でこれを防ぐ仕組みが、DHCPスヌーピングです。