DHCPの4つのパケット、Discover・Offer・Request・ACK（まとめてDORA）を教科書で読んで、一番引っかかるのは3つ目のRequestだと思います。サーバーからOfferで返事をもらったのに、PCはなぜもう一度ブロードキャストで送り直すのか。
この疑問は、パケットが実際にどこまで届いているかを見ると解けます。なお、この記事では「全員宛てに送る」ことをブロードキャスト、「特定の1台宛てに送る」ことをユニキャストと呼びます。下の図では、PC-AがR1からIPアドレスを借りるまでの4つのパケットを、構成図の上で流しています。
図はループ再生しています。「フェーズ1」〜「フェーズ4」のボタンで、そのパケットだけを流して止められます。下のタブでは、パケットの中身、キャプチャ、R1の設定とバインディングが、再生に合わせて変わります。
DHCPが配っているもの
DHCPサーバーが貸し出すのは、IPアドレスだけではありません。PCが通信を始めるのに必要な設定を、まとめて渡しています。
- IPアドレス（例：192.168.10.100）
- サブネットマスク（例：255.255.255.0）
- デフォルトゲートウェイ（例：192.168.10.1）
- DNSサーバー（例：8.8.8.8）
- リース期間（貸し出しの期限。例：1日）
期限付きの貸し出しなので、使われなくなったアドレスは、貸し出し用のアドレスの一覧（プール）に戻ります。やり取りには、サーバー側が67番、PC側が68番のポートを使います。
Discover・Offer・Request・ACKで起きていること
Discover：まだ何も知らないので、全員に聞く
起動直後のPCはIPアドレスを持っておらず、DHCPサーバーがどこにいるのかも知りません。そのため、送信元IPを0.0.0.0、宛先を255.255.255.255にして「DHCPサーバーはいますか」と呼びかけます。LANの中で使う宛先（MACアドレス）も、全員宛てを表すff:ff:ff:ff:ff:ffです。
スイッチは全ポートにこのパケットを流すので、図のPC-Bのように、関係のない端末にも届いて捨てられます。
Offer：サーバーが候補のアドレスを提示する
DHCPサーバーはプールから空いているアドレスを1つ選び、「192.168.10.100はどうですか」と提示します。サブネットマスクやデフォルトゲートウェイ、リース期間も、ここで伝えます。
図では、OfferはPC-Aだけに届いています（ユニキャスト）。
キャプチャの時刻を見ると、DiscoverからOfferまで約1秒あいています。これはR1が、配る前にそのアドレスへpingを打ち、ほかの機器が使っていないかを確かめているためです（後半で詳しく書きます）。
Request：Offerをもらったのに、またブロードキャスト
最初の疑問の答えはここです。PCがRequestをもう一度ブロードキャストで送る理由は2つあります。
- まだアドレスが確定していないので、提示されたIPを送信元に使えない
- DHCPサーバーが複数いた場合に、選ばなかったサーバーにも結果を知らせる
Requestには「どのサーバーのOfferを選んだか」が書かれていて、選ばれなかったサーバーはそれを見て、取っておいたアドレスを手放します。図はサーバーが1台なので見えにくいのですが、故障に備えてDHCPサーバーを2台置いている会社では、この仕組みが効いてきます。
ACK：ここで初めてIPアドレスが設定される
サーバーがACKを返すと、貸し出しが確定します。PCが実際にIPアドレスを設定するのは、このACKを受け取ってからです。サーバー側の貸し出し一覧（バインディング）にも、ここで載ります。なんらかの理由で貸せないときは、ACKの代わりにNAK（お断り）が返り、PCはDiscoverからやり直します。
Cisco IOSでDHCPサーバーを立てる
図のR1と同じ設定です。小さな拠点では、このようにルーター自身をDHCPサーバーにすることがよくあります。
ip dhcp excluded-address 192.168.10.1 192.168.10.99 ! ip dhcp pool VLAN10 network 192.168.10.0 255.255.255.0 default-router 192.168.10.1 dns-server 8.8.8.8 lease 1
ポイントは1行目のip dhcp excluded-addressです。ゲートウェイやサーバー、プリンターなど、固定でIPを振る機器の範囲を、配る対象から外します。この例では.1〜.99を固定用に取っておき、.100から配っています。図のPC-B（192.168.10.20）も、この固定用の範囲に入っている機器です。
動作の確認には、次のコマンドを使います。
show ip dhcp binding：どのクライアントに、どのIPを貸しているかshow ip dhcp pool：プールの大きさと、貸し出し中の数show ip dhcp conflict：配ろうとしたIPが、すでにほかの機器で使われていた記録
IPアドレスが169.254.x.xになったら
Windowsで169.254.x.xのアドレスが付いていたら、DHCPサーバーから返事が来なかったというサインです。OSが自分で仮のアドレス（APIPA）を付けた状態で、Windowsはその後も数分おきにDiscoverを送り直しています。確認する順番は、次のとおりです。
- DHCPサーバーが別のネットワークにいないか：Discoverはブロードキャストなので、ルーターを越えられません。この場合はルーターにDHCPリレーの設定が必要です（DHCPリレーの記事（11月10日公開予定））。
- ポートのVLANが合っているか：VLANは、1台のスイッチの中をいくつかのネットワークに分ける仕組みです。PCをつないだポートが、DHCPで配っていないVLANに入っていないかを確認します。
- スイッチのポートが、まだ通信できる状態になっていないか：Ciscoのスイッチは初期設定のままだと、ケーブルをつないでから通信できるようになるまで約30秒待ちます（ループを防ぐSTPという仕組みのため）。その間に送ったDiscoverは届かず、PCは一時的に169.254になります。PCをつなぐポートには
spanning-tree portfastを入れて、この待ち時間をなくしておきます。
実際にあった例：新しいフロアを立ち上げたとき、つないだPCが軒並み169.254になったことがあります。原因は、ゲートウェイ役のスイッチ（ルーターの働きもするL3スイッチ）に、DHCPサーバーまでDiscoverを運ぶ設定（ip helper-address）が入っていなかったことでした。DiscoverがDHCPサーバーまで届いていないので、サーバー側の設定をいくら見直しても直りません。VLANを足すときは、helper-addressまでを1セットで確認しておくと防げます。
固定IPの機器とアドレスがぶつかったとき
excluded-addressを入れ忘れると、プリンターやサーバーに固定で振ったアドレスを、DHCPがほかのPCに配ろうとします。
Ciscoのルーターは、配る前にpingで確かめ、返事があったアドレスは配らずにshow ip dhcp conflictに記録します。ここに記録がたまっていたら、除外範囲の設定漏れを疑います。
家庭用ルーターがつながると何が起きるか
家庭用のルーターを社内のLANに誤ってつなぐと、そのルーターもDHCPサーバーとしてOfferを返し始めます。PCは先に届いたOfferを選ぶことが多いので、一部のPCだけが192.168.0.xのような別のアドレスをもらい、社内のサーバーにつながらなくなります。
スイッチのDHCPスヌーピングという機能を使うと、決めたポート以外から返ってくるOfferを止められます（DHCPスヌーピングの記事（12月21日公開予定）で扱います）。
リースの更新はユニキャスト
一度アドレスをもらったPCは、リース期間の半分が過ぎると、借りているサーバーにユニキャストでRequestを送り、延長を頼みます。もう自分のIPアドレスもサーバーの場所も分かっているので、全員に聞く必要はありません。
サーバーから返事がないまま期限が近づくと、今度はブロードキャストで「どのサーバーでもいいので延長してほしい」と頼みます。それでも期限が切れたら、アドレスを手放してDiscoverからやり直します。
まとめ
- DHCPは、Discover・Offer・Request・ACKの4つのパケットでアドレスを貸し出す
- Requestまでブロードキャストなのは、まだIPアドレスがないことと、ほかのサーバーにも結果を知らせるため
- PCがIPアドレスを設定するのは、ACKを受け取ってから
- 169.254.x.xは「返事が来なかった」サイン。リレー、VLAN、portfastの順に確認する
IPアドレスをもらったPC-Aが次にやるのは、相手のMACアドレスを調べることです。pingの前に流れているこのパケットは、ARPの記事（11月7日公開予定）で扱います。
