ネットワーク層 ─ DHCP と IP 自動設定

学習目標

本講を終えると、以下の問いに学術的な言葉で答えられるようになります。

• なぜ静的設定ではなく IPアドレスの自動設定 が必要なのか、運用と移動性の観点から説明できる
• DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) の DORA 4ステップを説明できる
• DHCP で配布される基本情報(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サーバ・リース期間)を列挙できる
• DHCP サーバを置く場所として、家庭用ルータ・LAN内サーバ・中央サーバ集約の違いを説明できる
• DHCP リレー、リース管理、IPv6 の自動設定、DHCP のセキュリティは発展話題として位置づけられる

このレッスンの目次

なぜ IP の自動設定が必要なのか

静的設定 vs 動的設定

サーバや基幹ネットワーク機器のように 常に同じアドレスでなければ困る 機器は、依然として 静的(static) に IP を設定します。一方、利用者の端末のように つなぎ替えが頻繁 な機器は、ネットワークに参加するたびに動的に IP を受け取る方が合理的です。これを実現する代表的なプロトコルが、本講の主役 DHCP です。

考えてみよう: 自分のスマホは、家のWi-Fi、大学のWi-Fi、駅のフリーWi-Fiでそれぞれ別の IPアドレスを使っているはずです。にもかかわらず利用者は何も設定していません。これを支えているのが、本講で学ぶ DHCP です。「設定が消えてなくなる」のではなく、「ネットワークに参加した瞬間に設定が降ってくる」というイメージを持ってください。

DHCP の動作 ─ DORA 4ステップ

その前に:ブロードキャストとは ─ サブネット全員に届ける送り方

3 つの宛先の届き方を図で対比

図の見方:同じ「データを送る」操作でも、IP ヘッダの宛先欄に何を書くかで配り方が変わります。ユニキャストは郵便、マルチキャストは登録した人にだけ届くメルマガ、ブロードキャストは町内放送のイメージです。

なぜ DHCP は「ブロードキャスト」を選ぶのか

DHCP の最大の特徴は「クライアントがまだ自分の IP も、サーバの IP も知らない」状態で通信を始める点にあります。ユニキャストは「特定の相手の IP」を宛先に書く必要があるので、この段階では使えません。そこで 「サブネット全員に向かって叫ぶ」 ─ つまりブロードキャストが採用されます。具体的な使われ方は次の3点に整理できます。

• サーバの所在を知らない:クライアントは「DHCP サーバの IP」を知る術がない。だから DISCOVER で サブネット全員に問いかけ、応答してきた相手をサーバとみなす
• 自分の IP がない:送信元 IP も置けないので、IPv4 の予約値 0.0.0.0 を使う。「IP を持たない端末がそこにいる」ことだけを伝える
• 複数サーバへの公平な伝達:REQUEST(③)もブロードキャストにすることで、選ばれなかった他の DHCP サーバにも「自分の OFFER は採用されなかった」と知らせ、予約解放のチャンスを与える(後述の「もっと詳しく」参照)

つながる知識: ブロードキャストは ARP(第23回「IP→MAC を引く問い合わせ」)でも使われます。「相手の所在をまだ知らないから、まず全員に聞く」という発想は、IP を持たない初期化通信(DHCP)と、MAC を知らない解決問い合わせ(ARP)に共通です。IPv6 ではブロードキャストは廃止され、用途別の マルチキャストアドレス(例:全ノード ff02::1、全ルータ ff02::2)に置き換えられました。発想は同じく「特定の集合に届ける」ですが、関係ないノードまで処理を強いない点で効率的です。

ステップで見る DORA の通信

図の見方:DORA は 2往復・4メッセージ で構成されます。1番目と3番目のクライアント発信メッセージはブロードキャストである点が DHCP の特徴的な設計です。クライアントはまだ「サブネット上で自分が一意か」を知らないので、全員に向けて声を出すしかありません。

DHCP で配布される情報

図の見方:DHCP メッセージの本体(yiaddr)はクライアントに割り当てる IPアドレスで、それ以外は「オプション」と呼ばれる可変長フィールドで運ばれます。各オプションには番号(1=サブネットマスク、3=ゲートウェイ、6=DNS、51=リース期間 など)が割り当てられており、必要に応じて NTP サーバ(42)・ドメイン名(15)・WPAD(252)などを追加配布できます。

つながる知識: DNS(第14回 アプリ層: DNS詳細(標準))で何度も出てきた「リゾルバの IPアドレス」は、多くの場合 DHCP 経由で自動的にクライアントに配られています。Wi-Fi につないだ瞬間にブラウザで https://example.com が引けるのは、DHCP が DNS サーバの場所も同時に教えてくれているからです。

DHCP サーバはどこにいるのか

パターン1:家庭用ルータが DHCP も兼ねる

家庭で最も一般的な構成です。市販の 家庭用ルータ(Wi-Fi ルータ) はルータ機能・スイッチ機能・無線AP機能・DHCPサーバ機能・NAT・簡易DNSプロキシをすべて1台にまとめています。クライアントは LAN 側に接続するだけで自動的に 192.168.x.0/24 帯のアドレスを受け取ります。設定はルータの管理画面(例: 配布範囲を 192.168.10.30〜140 に絞る)で行います。

長所:管理者を必要としないシンプルさ。短所:大規模化に向かない・DHCPサーバとルータが同居しているため片方の不具合がもう片方に波及しやすい。

図の見方:1台の機器に「ルータ・Wi-Fi・DHCP・NAT」が同居しています。クライアントはこの 1 台に向かってブロードキャストするだけで全部済みます。家庭の配線がシンプルなのはこの構造のおかげですが、その 1 台が壊れると全機能が同時に止まります。

パターン2:LAN 内に専用 DHCP サーバを置く

大学や企業で見られる構成です。ルータとは別に Linux/Windows サーバ上で 専用の DHCPD(例: ISC DHCP、Kea、Windows DHCP Server) を稼働させ、複数のサブネットに対するアドレス配布を一元管理します。配布アドレスのログ取得・MAC アドレス予約(特定の MAC には常に同じ IP を割り当てる)・DNS との連携(動的 DNS 更新)など、運用上の機能が豊富です。

長所:大規模・冗長化に向く・きめ細かいログとポリシー。短所:サーバ機の運用コストがかかる・サブネット越えにはリレーが必要(次パターン)。

図の見方:ルータと DHCP サーバが別の機器に分かれています。両者が 同じサブネット(LAN) 上にいるため、クライアントのブロードキャスト DISCOVER がそのままサーバに届きます。サーバ機を独立に管理できる代わりに、保守する装置が 1 台増えます。

パターン3:中央 DHCP サーバに集約する

大規模ネットワークでは、各サブネットに DHCP サーバを置かず、中央の DHCP サーバでまとめて管理する ことがあります。この場合、各 LAN のルータが問い合わせを中継する仕組みを使います。標準編では「台数やサブネットが増えると、中央管理したくなる」と押さえ、詳しい中継の仕組みは 発展編 で扱います。

長所:サーバを集約できる・ポリシーを一括変更可能。短所:ルータ側の設定(例: VyOS なら set service dhcp-relay server <IP>)が必要・中央サーバが落ちると影響範囲が広い。

図の見方:各 LAN には DHCP サーバを置かず、ルータを通して中央 DHCP サーバに集約しています。サブネットが増えても配布範囲やログを一か所で管理できるのが強みです。中継の細かい動きは 発展編 で扱います。

発展へ回す内容

覚えておくこと: 標準編では、DHCP は「端末がネットワークに入ったとき、必要な IP 設定を自動でもらう仕組み」と押さえれば十分です。大規模化・IPv6・攻撃対策まで考える段階で、発展編の内容が効いてきます。

まとめと用語チェック

用語チェック

確認問題