この記事は「Goで作るモダン・ブートサーバー」の3日目の記事です。 今回からはお待ちかねの、実装が始まります。 この回ではGoでDHCPサーバーを実装します。

シリーズの記事は以下のリンクからどうぞ。

今回はDHCPサーバーを実装できればと思い記事を書きましたが、仕様の説明だけで長くなり（仕様も全部説明できなかった）、きちんとしたDHCPサーバーの実装まで至りませんでした。 そのためDHCPサーバーの実装も数段階に分けて進めたいと思います。 この記事ではDHCPの仕様を説明しつつ、固定IPアドレスを割り当てるガバガバDHCPサーバーを実装します。

今回作成するコードは以下のレポジトリで公開しています。

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) について

DHCP (RFC 2131)は、クライアントがIPアドレスやネットマスクなどの設定をネットワーク経由で自動的に取得するプロトコルです。 DHCPはBOOTP (Bootstrap Protocol, RFC 951) を拡張したプロトコルで、IPアドレスのリース機能と追加の設定項目が利用可能になりました。 現在ではDHCPはネットワーク接続時の自動設定という印象が強いですが、名前にあるとおりBOOTP自体はマシンのブートストラップを想定したプロトコルです。

DHCPメッセージ

DHCPのメッセージにはいくつかの種類があり、RFC 2131では8つのDHCPメッセージが定義されています。 このうちDHCPサーバーがクライアントにIPアドレスを割り当てる時に利用されるのは、DHCPDISCOVER、DHCPOFFER、DHCPREQUEST、DHCPACK の4つのメッセージです。 次の図はDHCPサーバーがIPアドレスをクライアントに割り当てるまでにやり取りするメッセージです。

IPアドレスを取得するときのDHCPメッセージ

  1. DHCPDISCOVER: クライアントがDHCPサーバーを探すために、L2ネットワーク内にブロードキャストします。
  2. DHCPOFFER: DHCPDISCOVERを受け取ったDHCPサーバーが、設定値をクライアントに返答します。
  3. DHCPREQUEST: DHCPOFFERメッセージを受け取ったクライアントが、DHCPサーバーに返答します。
  4. DHCPACK: DHCPREQUESTを受け取ったDHCPサーバーが、クライアントに設定値を使ってよいという返答します。

パケット構造

DHCPはUDPのプロトコルです。 DHCPで送受信するパケット構造は、DHCPサーバーが送信するパケットとDHCPクライアントが送信するパケットで同じです。 それぞれのメッセージの種類ごとに、各フィールドに適切な値を埋めます。 以下がDHCPのパケット構造です。

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     op (1)    |   htype (1)   |   hlen (1)    |   hops (1)    |
+---------------+---------------+---------------+---------------+
|                            xid (4)                            |
+-------------------------------+-------------------------------+
|           secs (2)            |           flags (2)           |
+-------------------------------+-------------------------------+
|                          ciaddr  (4)                          |
+---------------------------------------------------------------+
|                          yiaddr  (4)                          |
+---------------------------------------------------------------+
|                          siaddr  (4)                          |
+---------------------------------------------------------------+
|                          giaddr  (4)                          |
+---------------------------------------------------------------+
|                                                               |
|                          chaddr  (16)                         |
|                                                               |
|                                                               |
+---------------------------------------------------------------+
|                                                               |
|                          sname   (64)                         |
+---------------------------------------------------------------+
|                                                               |
|                          file    (128)                        |
+---------------------------------------------------------------+
|                                                               |
|                          options (variable)                   |
+---------------------------------------------------------------+

DHCPサーバーからの返答メッセージのフィールド

DHCPサーバーがクライアントに送信するDHCPOFFERとDHCPACKメッセージでは、それぞれのフィールドの値は以下のとおりです。 DHCPサーバーはこの仕様に従い、それぞれのパケットを埋めます。

フィールド DHCPOFFER DHCPACK フィールドの説明
op BOOTREPLY (2) BOOTREPLY (2) DHCPサーバーへの要求がBOOTREQUEST(1)、DHCPからの応答がBOOTREPLY (2)
htype 1 1 ハードウェアのタイプ。イーサネットは1
hlen 5 6 MACアドレスの長さ。イーサネットは1
hops 0 0 DHCPリレーエージェントのホップ数
xid DHCPDISCOVERのxid DHCPREQUESTのxid クライアントが生成する一貫したID（ランダム）
secs 0 0 クライアントのリクエストが開始してからの経過秒数
ciaddr 0 DHCPREQUESTのciaddr クライアントのIPアドレス
yiaddr 割り当てアドレス 割り当てアドレス クライアントに割り当てるIPアドレス
siaddr ブートサーバーのアドレス ブートサーバーのアドレス ブートサーバーのアドレス
flags DHCPDISCOVERのflags DHCPREQUESTのflags ブロードキャストかユニキャストかを表す
giaddr DHCPDISCOVERのgiaddr DHCPREQUESTのgiaddr リレーエージェントのIPアドレス
chaddr DHCPDISCOVERのchaddr DHCPREQUESTのchaddr クライアントのMACアドレス
sname サーバー名 サーバー名 DHCPサーバーのサーバー名
file ブートファイル ブートファイル ブートに必要なブートサーバー上のファイル名 (TFTPのパス名やHTTPブートのURL) です。
options options options オプション

optionsは予約された番号と対応する数値や文字列、IPアドレスを載せられるフィールドです。 例えば 54 はサーバー識別子を表す番号で、その値はDHCPサーバーのIPアドレスを載せられます。 この番号とその意味は RFC 2132 で定義されています。

DHCPサーバーの実装

さて、上記の仕様に基づいた、IPアドレスの割り当てを実装してみましょう。 DHCPサーバーが受け取るのはDHCPDISCOVERとDHCPREQUESTで、それぞれのメッセージでDHCPOFFERとDHCPACKを返します。

上記のとおりにUDPパケットを組み立てても良いのですが（Goなら簡単ですよね）、 もっと簡単に実装するために go.universe.tf/netboot パッケージを使います。 このパッケージはDHCP4やDHCP6、そしてTFTPのライブラリを含みます。

サーバーを建てる

それではDHCPDISCOVERを受け取った時にDHCPOFFERを返し、DHCPREQUESTを受け取った時にDHCPACKを返す簡単なサーバーを作ります。 go.universe.tf/netbootのdhcp4パッケージでは、op、htype、hlen、hopsは自動で埋めてくれます。 また何も設定しなければゼロ値が使われるので、上記表の0の部分は何も代入しなくて良いです。

固定アドレを割り当てるDHCPサーバーの実装が以下のとおりです。 ほんの50行ほどでできました。

package main

import (
	"log"
	"net"

	"go.universe.tf/netboot/dhcp4"
)

func main() {
	listen := "0.0.0.0:67"
	conn, err := dhcp4.NewConn(listen)
	if err != nil {
		log.Fatalf("[FATAL] Unable to listen on %s: %v", listen, err)
	}
	defer conn.Close()

	log.Printf("[INFO] Starting DHCP server...")
	for {
		req, intf, err := conn.RecvDHCP() //    (1)
		if err != nil {
			log.Fatalf("[ERROR] Failed to receive DHCP package: %v", err)
		}

		log.Printf("[INFO] Received %s from %s", req.Type, req.HardwareAddr)
		resp := &dhcp4.Packet{    // (2)
			TransactionID: req.TransactionID,
			HardwareAddr:  req.HardwareAddr,
                        ClientAddr:    req.ClientAddr,
			YourAddr:      net.IPv4(172, 24, 32, 1),
			Options:       make(dhcp4.Options),
		}
		resp.Options[dhcp4.OptSubnetMask] = net.IPv4Mask(255, 255, 0, 0)

		switch req.Type {    // (3)
		case dhcp4.MsgDiscover:
			resp.Type = dhcp4.MsgOffer

		case dhcp4.MsgRequest:
			resp.Type = dhcp4.MsgAck

		default:
			log.Printf("[WARN] message type %s not supported", req.Type)
			continue
		}

		log.Printf("[INFO] Sending %s to %s", resp.Type, resp.HardwareAddr)
		err = conn.SendDHCP(resp, intf)   // (4)
		if err != nil {
			log.Printf("[ERROR] unable to send DHCP packet: %v", err)
		}
	}
}
  1. パケットを受け取るとこのメソッドは処理を返します。返り値にパケットと、パケットを受け取ったインターフェイスが返ります。
  2. それぞれのメッセージで共通するフィールドをあらかじめ設定します。 xid (TransactionID) 、chaddr (HardwareAddr)、ciaddr (ClientAddr) はリクエストの値を使います。 yiaddr (YourAddr) とサブネットマスクは、固定で 172.24.32.1 と 255.255.0.0 を設定します。
  3. リクエストのメッセージタイプごとに、クライアントに返すメッセージタイプを設定します。
  4. 作成したパケットを返信します。

検証

それでは実装したDHCPサーバーが正常に動くか試してみましょう。 検証は前回の記事で作成した環境を使用します。 環境を作成はシェルスクリプトにまとめてあります。

まずは仮想ネットワークを作成します。

sudo ./bin/setup network --name br0 --address 172.24.0.1/16

そして上記のGoファイルをビルドして起動します。 67番ポートにLISTENするには管理者権限が必要なのでsudoで実行します。

go build . && sudo ./building-boot-server

そしてクライアントのVMを起動します。

sudo ./bin/setup node --network br0

すると、DHCPサーバーのログにパケットの受け渡しの様子が観測できます。

2020/03/18 21:55:22 [INFO] Starting DHCP server...
2020/03/18 21:56:37 [INFO] Received DHCPDISCOVER from 52:54:00:96:e6:c3
2020/03/18 21:56:37 [INFO] Sending DHCPOFFER to 52:54:00:96:e6:c3
2020/03/18 21:56:38 [INFO] Received DHCPDISCOVER from 52:54:00:96:e6:c3
2020/03/18 21:56:38 [INFO] Sending DHCPOFFER to 52:54:00:96:e6:c3
2020/03/18 21:56:40 [INFO] Received DHCPREQUEST from 52:54:00:96:e6:c3
2020/03/18 21:56:40 [INFO] Sending DHCPACK to 52:54:00:96:e6:c3

そしてクライアントの起動メッセージを見てみましょう。

VMの起動メッセージ

まず起動時にNICのMACアドレス（この場合 52:54:00:96:e6:c3）が表示されます。 この値がDHCPサーバーのログと一致することが確認できます。 そしてDHCPサーバーが割り当てた（固定の）IPアドレス 172.24.32.1/16 が、クライアントに設定されていることが分かります。

無事DHCPサーバーが動き、クライアントにIPアドレスを割り当てることができました！

おわりに

今回作成したコードは以下のレポジトリで公開しています。

DHCPといえばなんとなくネットワークの設定をするものだとイメージしがちですが、仕様を調べてみると面白いです。 今回実装したDHCPサーバーは固定IPを割り当てるガバガバ実装ですが、この状態でブート情報を渡すときちんとブートストラップが開始します。

次回以降でもう少しマシなDHCPサーバーを実装していこうと思います。 それでは次回もお楽しみに！

参考文献