도커로 구축한 랩에서 혼자 실습하며 배우는 네트워크 프로토콜 입문 #5-3 DHCP

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)

DHCP는 IP주소, 서브넷 마스크, 기본 게이트웨이와 DNS 서버의 IP 주소 등 네트워크에 접속하기 위해 필요한 설정을 배포하는 프로토콜이다. RFC2131 에서 표준화 되어 있으며, DHCP의 역할, 메시지 형식, 형식을 구성하는 필드의 의미와 처리 흐름등이 상세하게 정의 되어 있다.

책에서는 DHCP를 L7에서 다루고 있는데, 정리하다보니 이게 L7에 있는게 맞나 싶은 생각이 든다.

IP 할당 방식

IP 주소를 단말(NIC)에 할당하는 방법에는 크게 '정적 할당'과 '동적 할당' 두 가지가 있다.

정적 할당

단말에 대해 일일이 수동으로 IP 주소를 설정하는 방식이다. 시스템 관리자가 비어있는 IP 주소를 사용자에게 할당해 준다.

정적 할당은 단말과 IP 주소가 고유하게 매핑되기 때문에 IP 주소 관리가 용이하다. 특정 IP의 이상 징후가 발생하면 어떤 단말이 문제인지 즉시 파악 할 수 있다. 그러나 단말의 수가 많아 지거나 교체가 빈번하면 하나씩 관리하기 어렵다는 문제가 있다.

동적 할당

DHCP를 사용하여 단말에 자동으로 IP 주소를 설정하는 방법이다. 정적 할당은 사용자가 시스템 관리자에게 요청하여 빈 IP 주소를 지급받아 수동 설정 했다면, 동적 할당은 이 모든 과정을 DHCP가 자동으로 처리한다.

DHCP 메시지 형식

DHCP는 UDP/67로 캡슐화된 DHCP 메시지 부분에 설정 정보를 담는다. DHCP 메시지는 여러 가지 필드로 구성되는데, 다음 3가지가 특히 중요하다.

• 할당 클라이언트 IP 주소
  • DHCP 서버에서 단말에 배포하는 IP 주소
• 클라이언트 MAC 주소
  • 단말의 MAC 주소
• 옵션
  • 네트워크 설정에 관한 다양한 정보

옵션은 옵션 코드에 의해 식별되는데, 대표적인 코드는 다음과 같다.

• (1) 서브넷 마스크
• (3) 기본 게이트웨이
• (6) DNS 서버 IP 주소
• (12) 호스트 이름
• (42) NTP 서버의 IP 주소
• (51) IP 주소 임대 시간
• (53) DHCP 메시지 유형
• (54) DHCP 서버 ID

DHCP 처리 흐름

DHCP는 서버와 클라이언트로 구성되어 있다. DHCP 클라이언트가 있는 단말은 초기에는 IP가 할당되지 않은 상태이기 때문에 브로트캐스트를 통해 정보를 주고 받는다.

1. DHCP Discover: 클라이언트가 네트워크에 접속하면 DHCP 서버를 찾기 위해 브로드캐스트로 Discover 메시지를 전송한다. 이 시점에서 클라이언트는 아직 IP 주소가 없으므로 출발지 IP는 0.0.0.0으로 설정된다.
2. DHCP Offer: DHCP 서버가 Discover 메시지를 수신하면 할당 가능한 IP 주소와 서브넷 마스크, 임대 시간 등의 설정 정보를 담아 Offer 메시지를 유니캐스트로 응답한다. 네트워크에 여러 DHCP 서버가 존재하는 경우 클라이언트는 복수의 Offer를 수신할 수 있다.
3. DHCP Request: 클라이언트가 수신한 Offer 중 하나를 선택하여 해당 DHCP 서버에 IP 주소 할당을 정식으로 요청한다. 이 메시지도 브로드캐스트로 전송되며, 선택되지 않은 다른 DHCP 서버들에게 해당 Offer가 거절되었음을 알리는 역할도 한다.
4. DHCP ACK: DHCP 서버가 Request를 승인하면 ACK 메시지를 전송하여 IP 주소 할당을 확정한다. 클라이언트는 이 메시지를 수신한 후 비로소 할당받은 IP 주소를 사용할 수 있게 된다. 만약 요청한 IP 주소를 할당할 수 없는 경우에는 DHCP NAK 메시지가 전송된다.
5. DHCP Release: 클라이언트가 더 이상 IP 주소를 사용하지 않을 때 서버에 반환을 알리는 메시지이다. 이 메시지를 수신한 서버는 해당 IP 주소를 풀(Pool)에 반환하여 다른 클라이언트가 사용할 수 있도록 한다.

IP 주소 임대와 갱신

DHCP로 할당받은 IP 주소는 영구적인 것이 아니라 임대 시간(Lease Time)이 정해져 있다. 클라이언트는 임대 시간이 만료되기 전에 갱신을 요청해야 하는데, 일반적으로 임대 시간의 절반(50%)이 경과하면 DHCP Request 메시지를 서버에 유니캐스트로 전송하여 갱신을 시도한다. 이 갱신이 실패하면 임대 시간의 7/8(87.5%)가 경과한 시점에 다시 브로드캐스트로 갱신을 시도하며, 그래도 실패하면 임대 만료 시 IP 주소 사용을 중단하고 처음부터 Discover 과정을 다시 수행한다.

네트워크 인프라 자동화의 기반이 되는 DHCP

DHCP는 IP 주소 할당 외에도 옵션 필드를 활용하여 다양한 부가 기능을 제공할 수 있다. 그 중 대표적인 것이 네트워크 부팅(PXE) 지원이다.

• (66) TFTP 서버 이름
  • 부트 파일을 제공하는 TFTP 서버의 IP 주소 또는 호스트명
• (67) 부트 파일 이름
  • 클라이언트가 다운로드해야 할 네트워크 부트 프로그램의 경로

PXE 부팅

PXE(Preboot Execution Environment)는 로컬 저장 장치 없이 네트워크를 통해 운영체제를 부팅하는 기술이다. PXE를 사용하면 서버의 NIC가 네트워크에서 부팅 이미지를 받아와 자동으로 OS 설치를 진행할 수 있다.

PXE 부팅의 동작 흐름은 다음과 같다.

1. 클라이언트가 전원을 켜면 NIC의 PXE 펌웨어가 DHCP Discover 메시지를 브로드캐스트한다.
2. DHCP 서버는 IP 주소와 함께 옵션 66(TFTP 서버 주소)과 옵션 67(부트 파일 경로)을 응답한다.
3. 클라이언트는 TFTP 프로토콜을 사용하여 지정된 서버에서 부트 파일(예: pxelinux.0, bootx64.efi)을 다운로드한다.
4. 다운로드한 부트 로더가 실행되어 OS 설치 또는 부팅이 진행된다.

이처럼 DHCP의 옵션 필드를 활용하면 단순한 IP 할당을 넘어 네트워크 인프라 자동화의 기반을 구축할 수 있다.