DHCPv4: Qué es y cómo Funciona

DHCP está disponible tanto para IPv4 (DHCPv4) como para IPv6 (DHCPv6). En esta sección, se explora la funcionalidad, y características de DHCPv4.

1. Introducción a las Direcciones IP

Todo dispositivo que se conecta a una red necesita una dirección IP única. Los administradores de red asignan direcciones IP estáticas a los routers, a los servidores, a las impresoras y a otros dispositivos de red cuyas ubicaciones (físicas y lógicas) probablemente no cambien. Además, las direcciones estáticas habilitan a los administradores para que administren estos dispositivos en forma remota. A los administradores de red les resulta más fácil acceder a un dispositivo cuando pueden determinar fácilmente su dirección IP.

Sin embargo, las computadoras y los usuarios en una organización, a menudo, cambian de ubicación, física y lógicamente. Para los administradores de red, asignar direcciones IP nuevas cada vez que un empleado cambia de ubicación puede ser difícil y llevar mucho tiempo. Además, para los empleados móviles que trabajan desde ubicaciones remotas, puede ser difícil establecer de forma manual los parámetros de red correctos. Incluso para los clientes de escritorio, la asignación manual de direcciones IP y otra información de direccionamiento plantea una carga administrativa, especialmente a medida que crece la red.

La introducción de un servidor de protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) en la red local simplifica la asignación de direcciones IP tanto a los dispositivos de escritorio como a los móviles. El uso de un servidor de DHCP centralizado permite a las organizaciones administrar todas las asignaciones de direcciones IP desde un único servidor. Esta práctica hace que la administración de direcciones IP sea más eficaz y asegura la coherencia en toda la organización, incluso en las sucursales.

2. Introducción a DHCPv4

DHCPv4 asigna direcciones IPv4 y otra información de configuración de red en forma dinámica. Dado que los clientes de escritorio suelen componer gran parte de los nodos de red, DHCPv4 es una herramienta extremadamente útil para los administradores de red y que ahorra mucho tiempo.

Un servidor de DHCPv4 dedicado es escalable y relativamente fácil de administrar. Sin embargo, en una sucursal pequeña o ubicación SOHO, se puede configurar un router Cisco para proporcionar servicios DHCPv4 sin necesidad de un servidor dedicado. El software Cisco IOS admite un servidor DHCPv4 con funciones completas opcional.

El servidor DHCPv4 asigna dinámicamente, o arrienda, una dirección IPv4 de un conjunto de direcciones durante un período limitado elegido por el servidor o hasta que el cliente ya no necesite la dirección.

Los clientes arriendan la información del servidor durante un período definido administrativamente. Los administradores configuran los servidores de DHCPv4 para establecer los arrendamientos, a fin de que caduquen a distintos intervalos. El arrendamiento típicamente dura de 24 horas a una semana o más. Cuando caduca el arrendamiento, el cliente debe solicitar otra dirección, aunque generalmente se le vuelve a asignar la misma.

3. Funcionamiento de DHCPv4

Como se muestra en la Imagen 2, DHCPv4 funciona en un modo cliente/servidor. Cuando un cliente se comunica con un servidor de DHCPv4, el servidor asigna o arrienda una dirección IPv4 a ese cliente. El cliente se conecta a la red con esa dirección IP arrendada hasta que caduque el arrendamiento. El cliente debe ponerse en contacto con el servidor de DHCP periódicamente para extender el arrendamiento. Este mecanismo de arrendamiento asegura que los clientes que se trasladan o se desconectan no mantengan las direcciones que ya no necesitan. Cuando caduca un arrendamiento, el servidor de DHCP devuelve la dirección al conjunto, donde se puede volver a asignar según sea necesario.

3.1. Origen del arrendamiento

Cuando el cliente arranca (o quiere unirse a una red), comienza un proceso de cuatro pasos para obtener un arrendamiento. Como se muestra en la Imagen 3, un cliente inicia el proceso con un mensaje de difusión DHCPDISCOVER con su propia dirección MAC para detectar los servidores de DHCPv4 disponibles.

3.1.1. Detección de DHCP (DHCPDISCOVER)

El mensaje DHCPDISCOVER encuentra los servidores de DHCPv4 en la red. Dado que el cliente no tiene información de IPv4 válida durante el arranque, utiliza direcciones de difusión de capa 2 y de capa 3 para comunicarse con el servidor.

3.1.2. Oferta de DHCP (DHCPOFFER)

Cuando el servidor de DHCPv4 recibe un mensaje DHCPDISCOVER, reserva una dirección IPv4 disponible para arrendar al cliente. El servidor también crea una entrada ARP que consta de la dirección MAC del cliente que realiza la solicitud y la dirección IPv4 arrendada del cliente. Como se muestra en la Imagen 4, el servidor de DHCPv4 envía el mensaje DHCPOFFER asignado al cliente que realiza la solicitud. El mensaje DHCPOFFER se envía como una unidifusión, y se utiliza la dirección MAC de capa 2 del servidor como la dirección de origen y la dirección MAC de capa 2 del cliente como el destino.

3.1.3. Solicitud de DHCP (DHCPREQUEST)

Cuando el cliente recibe el mensaje DHCPOFFER proveniente del servidor, envía un mensaje DHCPREQUEST, como se muestra en la Imagen 5. Este mensaje se utiliza tanto para el origen como para la renovación del arrendamiento. Cuando se utiliza para el origen del arrendamiento, el mensaje DHCPREQUEST sirve como notificación de aceptación vinculante al servidor seleccionado para los parámetros que ofreció y como un rechazo implícito a cualquier otro servidor que pudiera haber proporcionado una oferta vinculante al cliente.

Muchas redes empresariales utilizan varios servidores de DHCPv4. El mensaje DHCPREQUEST se envía en forma de difusión para informarle a este servidor de DHCPv4 y a cualquier otro servidor de DHCPv4 acerca de la oferta aceptada.

3.1.4. Acuse de recibo de DHCP (DHCPACK)

Al recibir el mensaje DHCPREQUEST, el servidor verifica la información del arrendamiento con un ping ICMP a esa dirección para asegurarse de que no esté en uso, crea una nueva entrada ARP para el arrendamiento del cliente y responde con un mensaje DHCPACK de unidifusión, como se muestra en la Imagen 6. El mensaje DHCPACK es un duplicado del mensaje DHCPOFFER, a excepción de un cambio en el campo de tipo de mensaje. Cuando el cliente recibe el mensaje DHCPACK, registra la información de configuración y realiza una búsqueda de ARP para la dirección asignada. Si no hay respuesta al ARP, el cliente sabe que la dirección IPv4 es válida y comienza a utilizarla como propia.

3.2. Renovación del arrendamiento

3.2.1. Solicitud de DHCP (DHCPREQUEST)

Como se muestra en la Imagen 7, antes de que caduque el arrendamiento, el cliente envía un mensaje DHCPREQUEST directamente al servidor de DHCPv4 que ofreció la dirección IPv4 en primera instancia. Si no se recibe un mensaje DHCPACK dentro de una cantidad de tiempo especificada, el cliente transmite otro mensaje DHCPREQUEST de modo que uno de los otros servidores de DHCPv4 pueda extender el arrendamiento.

3.2.2. Acuse de recibo de DHCP (DHCPACK)

Al recibir el mensaje DHCPREQUEST, el servidor verifica la información del arrendamiento al devolver un DHCPACK, como se muestra en la Imagen 8.

4. Formato de mensajes DHCPv4

El formato del mensaje DHCPv4 se utiliza para todas las transacciones DHCPv4. Los mensajes DHCPv4 se encapsulan dentro del protocolo de transporte UDP. Si los mensajes DHCPv4 se envían desde el cliente, utilizan el puerto de origen UDP 68 y el puerto de destino 67. Y si los mensajes DHCPv4 se envían del servidor al cliente utilizan el puerto de origen UDP 67 y el puerto de destino 68.

En la ilustración, se muestra el formato de un mensaje DHCPv4.

4.1. Campos del formato de mensajes DHCPv4

• Código de operación (OP): especifica el tipo de mensaje general. El valor 1 indica un mensaje de solicitud y el valor 2 es un mensaje de respuesta.
• Tipo de hardware: identifica el tipo de hardware que se utiliza en la red. Por ejemplo, 1 es Ethernet, 15 es Frame Relay y 20 es una línea serial. Estos son los mismos códigos que se utilizan en mensajes ARP.
• Longitud de dirección de hardware: especifica la longitud de la dirección.
• Saltos: controla el reenvío de mensajes. Un cliente lo establece en 0 antes de transmitir una solicitud.
• Identificador de transacción: lo utiliza el cliente para hacer coincidir la solicitud con respuestas recibidas de los servidores de DHCPv4.
• Segundos: identifica la cantidad de segundos transcurridos desde que un cliente comenzó a intentar adquirir o renovar un arrendamiento. Lo utilizan los servidores de DHCPv4 para priorizar respuestas cuando hay varias solicitudes del cliente pendientes.
• Indicadores: los utiliza un cliente que no conoce su dirección IPv4 cuando envía una solicitud. Se utiliza solo uno de los 16 bits, que es el indicador de difusión. El valor 1 en este campo le indica al servidor de DHCPv4 o al agente de retransmisión que recibe la solicitud que la respuesta se debe enviar como una difusión.
• Dirección IP del cliente: la utiliza un cliente durante la renovación del arrendamiento cuando la dirección del cliente es válida y utilizable, no durante el proceso de adquisición de una dirección. El cliente coloca su propia dirección IPv4 en este campo solamente si tiene una dirección IPv4 válida mientras se encuentra en el estado vinculado. De lo contrario, establece el campo en 0.
• Su dirección IP: la utiliza el servidor para asignar una dirección IPv4 al cliente.
• Dirección IP del servidor: la utiliza el servidor para identificar la dirección del servidor que debe utilizar el cliente para el próximo paso en el proceso bootstrap, que puede ser, o no, el servidor que envía esta respuesta. El servidor emisor siempre incluye su propia dirección IPv4 en un campo especial llamado opción DHCPv4 Server Identifier (Identificador de servidores DHCPv4).
• Dirección IP del gateway: enruta los mensajes DHCPv4 cuando intervienen los agentes de retransmisión DHCPv4. La dirección del gateway facilita las comunicaciones de las solicitudes y respuestas de DHCPv4 entre el cliente y un servidor que se encuentran en distintas subredes o redes.
• Dirección de hardware del cliente:especifica la capa física del cliente.
• Nombre del servidor: lo utiliza el servidor que envía un mensaje DHCPOFFER o DHCPACK. El servidor puede, de manera optativa, colocar su nombre en este campo. Puede tratarse de un simple apodo de texto o un nombre de dominio DNS, como dhcpserver.netacad.net.
• Nombre del archivo de arranque: lo utiliza un cliente de manera optativa para solicitar un determinado tipo de archivo de arranque en un mensaje DHCPDISCOVER. Lo utiliza un servidor en un DHCPOFFER para especificar completamente un directorio de archivos y un nombre de archivo de arranque.
• Opciones de DHCP: contiene las opciones de DHCP, incluidos varios parámetros requeridos para el funcionamiento básico de DHCP. Este campo es de longitud variable. Tanto el cliente como el servidor pueden utilizarlo.

5. Mensajes Discover (Detección) y Offer (Oferta) de DHCPv4

Si un cliente está configurado para recibir su configuración IPv4 dinámicamente y desea unirse a la red, solicita valores de direccionamiento del servidor de DHCPv4. El cliente transmite un mensaje DHCPDISCOVER en su red local cuando arranca o detecta una conexión de red activa. Dado que el cliente no tiene forma de obtener información acerca de la subred a la que pertenece, el mensaje DHCPDISCOVER es una difusión IPv4 (dirección IPv4 de destino 255.255.255.255). El cliente aún no tiene una dirección IPv4 configurada, de modo que se utiliza la dirección IPv4 de origen 0.0.0.0.

Como se muestra en la Imagen 10, la dirección IPv4 del cliente (CIADDR), la dirección de gateway predeterminado (GIADDR) y la máscara de subred están marcados para indicar que se utiliza la dirección 0.0.0.0.

Nota: la información desconocida se envía como 0.0.0.0.

Cuando el servidor de DHCPv4 recibe el mensaje DHCPDISCOVER, responde con un mensaje DHCPOFFER. Este mensaje incluye información de configuración inicial para el cliente, como la dirección IPv4 que el servidor ofrece, la máscara de subred, la duración del arrendamiento y la dirección IPv4 del servidor de DHCPv4 que hace la oferta.

Es posible configurar el mensaje DHCPOFFER para que incluya otra información, como el tiempo de renovación del arrendamiento y la dirección DNS.

Como se muestra en la Imagen 11, el servidor de DHCP responde al mensaje DHCPDISCOVER asignando valores a la CIADDR y a la máscara de subred. La trama se crea mediante la dirección de hardware del cliente (CHADDR) y se envía al cliente que realiza la solicitud.

El cliente y el servidor envían mensajes de acuse de recibo, y finaliza el proceso.