はじめに

この記事は、3分間NetWorkingを読んでインプットした知識をアウトプットするために執筆しています。
学習内容のまとめ、学習してみての所感や疑問などを記載しています。
記事を読んでみて、間違っていることへの指摘や感想などありましたら、ぜひコメントをいただければ幸いです。
3分間NetWorkingのリンクは以下の通り。
https://www5e.biglobe.ne.jp/aji/3min/

記事のトピックス

・カプセル化
・DHCP

カプセル化に必要なアドレス

カプセル化の流れとして、レイヤ4から、セグメントが渡されて、レイヤ3でIPヘッダを付けてパケットにします。
その後、レイヤ2に渡して、イーサネットのヘッダとトレーラを付けてフレームにします。
IPヘッダもイーサネットヘッダも、どちらも4つのアドレスが必要になります。
宛先MACアドレス、宛先IPアドレス、送信元MACアドレス、送信元IPアドレスです。
つまり、データを転送するには、4つのアドレスを知る必要があります。

送信元MACアドレス

送信元MACアドレスは、NICを取り付けた段階で認識されます。
自動的に送信元MACアドレスは取得しているため、特にやることはありません。

送信元IPアドレス（静的）

送信元IPアドレスは、MACアドレスとは異なり、機器に付属しているアドレスではないため、自動で取得することはできません。
静的な送信元IPアドレスの場合は、ネットワーク管理者が割り振ることになるからです。
そして、ネットワーク管理者から割り振られたアドレスを、手動で入力することになります。

静的IPアドレスとは、スタティックIPアドレスや固定IPアドレスとも呼ばれ、ネットワーク管理者がアドレスを割り振り、手動で変更しない限り常に変わらないIPアドレスのことを指します。
静的IPアドレスのデメリットとして、IPアドレスを手動で入力するため、入力ミスが起きる可能性があること、ネットワークを移動すると、ネットワーク番号も変わるため、その度にIPアドレスを打ち直す必要があることです。
ネットワークの規模が大きくなると、管理も煩雑になってくるので、後述の動的IPアドレスを割り当てるのが一般的です。

送信元IPアドレス（動的）

ある程度の台数を管理するようなLANや、頻繁にデバイスの移動が起こるようなLANでは、動的なIPアドレスの割り当てが一般的になっています。
動的IPアドレスは、ダイナミックIPアドレスとも呼ばれ、ネットワークに接続した時点で自動的にIPアドレスを取得します。

IPアドレスの取得には、DHCPサーバというサーバに接続し、IPアドレスを要求し、割り当てて貰います。

DHCP

DHCPは、割り当てるIPアドレスを管理し、実際に割り当て作業を行うDHCPサーバと、割り当ててもらうDHCPクライアントから成り立ちます。
DHCPサーバも全てを自動的にやってくれるわけではありません。
ネットワーク管理者があらかじめ割り当てるアドレスの範囲を決めておく必要があります。
例えば、192.168.1.0のネットワークがあったとし、192.168.1.1～192.168.1.254までのアドレスを割り振ってよい。という具合に範囲を決めておきます。
範囲内の中で、特定のアドレスを指定して、このアドレスは割り当ててはいけませんという設定も可能です。
この割り当てて良い範囲のことを、IPアドレスのプールと呼びます。

サーバは設定されたプールの中から、要求してきたクライアントに対して、それぞれがユニークになるようアドレスを割り当てます。
さらに、ネットワーク管理者は範囲の他にIPアドレスのリース期限も設定します。
これは、IPアドレスを割り当てられたまま、他のネットワークの場所に移動してしまった時に、DHCPサーバが、移動したことを検知できないことによります。
他のネットワークに移動したことを検知できないため、割り当てたIPアドレスはずっと割り当てられたままになってしまうため、あらかじめリース期限を設けておき、IPアドレスの再利用性を確保するのです。

リースの期限設定に縛りはないですが、ホストが頻繁に移動するような環境では、リース期限も短く設定するのが一般的です。
逆にホストが頻繁に移動しないような環境であれば、長く設定することもできます。
リース期限が来た時、クライアント側の処理としては、リースを延長をリクエストするか、新しいIPアドレスの取得をリクエストするかの２択になります。

DHCP 割り当て動作の詳細

DHCPは、大雑把に言うとクライアントがIPアドレスを要求して、サーバがあらかじめ決められたアドレスプールの中から自動的にIPアドレスを割り当てます。
しかし、実際には以下の表のようにもっと細かな動作が行われています。

メッセージタイプ	送信者	説明
DHCPDISCOVER	クライアント	新しいIPアドレスを要求する際に、利用可能なDHCPサーバを探すためのブロードキャストメッセージ。
DHCPOFFER	DHCPサーバ	クライアントからの要求に応じて、利用可能なIPアドレスを提案するメッセージ。
DHCPREQUEST	クライアント	提案されたIPアドレスを要求する確認メッセージ。また、リースの延長や既存のアドレス再取得時にも使用。
DHCPACK	DHCPサーバ	クライアントの要求を承認し、IPアドレスのリースを確定するメッセージ。
DHCPNAK	DHCPサーバ	クライアントの要求を拒否するメッセージ。例: 提案したIPアドレスが無効になった場合など。
DHCPDECLINE	クライアント	提案されたIPアドレスが競合している場合（他のデバイスが同じIPを使用中）に送信するメッセージ。
DHCPRELEASE	クライアント	使用中のIPアドレスをリリースして、サーバに返却する際に送信するメッセージ。
DHCPINFORM	クライアント	固定IPを使用しているクライアントが、DHCPサーバから追加の設定情報（例: DNSサーバなど）を要求する。

まとめ

今回はOSI参照モデルレイヤ3 ネットワーク層のDHCPについてまとめました。
次回もレイヤ3 ネットワーク層についてまとめます。
最後に、記事を読んで間違いの指摘などがあればコメントで教えていただけると幸いです。
ありがとうございました。