Собственный DHCP-сервер силами bash

Я люблю автоматизировать процесс и писать собственные велосипеды для изучения того или иного материала. Моей новой целью стал DHCP-сервер, который будет выдавать адрес в маленьких сетях, чтобы можно было производить первоначальную настройку оборудования.
В данной статье я расскажу немного про протокол DHCP и некоторые тонкости из bash'а.

Конечный результат

Начнём с конца, чтобы было понятно, за что сражаемся.
Демонстрация работы:

Репозиторий со скриптом: firemoon777/bash-dhcp-server

Изначальная проблема

Необходимая мне настройка производится так: подключаемся напрямую по витой паре к оборудованию, выдаём временный адрес по DHCP, производим настройку уже созданным скриптом. И так десять-двадцать раз подряд.
Многим известный isc-dhcp-server прекрасно справляется со своими обязанностями, но, увы, никак не уведомляет мой скрипт о том, что адрес выдан, поэтому нужно как-то блокировать выполение, пока адрес не выдан.
Решение, вроде бы, на поверхности: пинговать до посинения, пока оборудование не отзовётся:

while ! ping -c1 -W1 "$DHCP" | grep -q "time="
do
    echo "Waiting for $DHCP..."
done

Но в этом решении, определённо, не хватает авантюризма.

Теоретическая часть

Получение адреса при одном DHCP-сервере

Протокол DHCP работает поверх UDP на портах 67 и 68. Сервер работает всегда только на 67, а клиент только на 68. Так как клиент не имеет адреса (имеет адрес 0.0.0.0), рассылка DHCP-пакетов производится шировещательным образом. Т.е. клиент всегда отправляет пакеты на адрес 255.255.255.255:67 с адреса 0.0.0.0:68, а сервер отправляет со своего адреса :67 на адрес 255.255.255.255:68.
Получение адреса клиентом происходит в четыре пакета (DORA):

1. Клиент выясняет где здесь DHCP-сервер (Discover)
2. Сервер отзывается и предлагает свой адрес (Offer)
3. Клиент запрашивает предложенный адрес у конкретного сервера (Request)
4. Сервер соглашается и выдаёт адрес (Ack)

Визуально схему можно представить так:

Получение адреса при нескольких DHCP-серверах

Когда клиент отправляет Discover, все сервера, которые могут слышать, присылают свой Offer клиенту. Но клиент должен выбрать кого-то одного. Выбор клиента оглашается в сообщении Request опцией 54 (DHCP-сервер), которая содержит IP-адрес предпочтённого DHCP-сервера. Хотя Request отправляется так же всем в сети, реагирует только тот DHCP-сервер, чей IP указан в опции 54.

Содержимое DHCP-пакета

DHCP-пакет состоит из двух частей: постоянной, размером в 236 байт и переменной, которая несёт в себе опции (DHCP Option).

Список всех опций DHCP в RFC 2132

Опции DHCP кодируются следующим образом:

Например, параметр 3 (предлагаемый шлюз) со значением 10.0.0.1:

В случае, если нужно передать несколько параметров, длина параметра увеличивается.
Например, в параметре 6 (DNS-сервер) передадим два адреса (1.1.1.1 и 8.8.4.4):

Признаком конца поля опций является параметр с номером 255 (0xFF) и длиной 0.

Чаще всего клиент вкладывает параметр 55 (список параметров, которые он хочет получить в ответ) в DHCP Discover, однако, мы имеем право выдать ему не всё, что он запросил.

Практическая часть

Изначально планировалось написать сервер на каком-то более подоходящем для этого языке (Си), однако, это было бы буднично и просто. То ли дело написать скрипт, который будет брать на себя функции dhcp-сервера.

Упрощения

Так как разрабатываемый сервер предполагался к использованию в сетях из двух узлов, соединенных патчом, были приняты следующие упрощения:

• гарантируется, что один клиент в сети;
• гарантируется, что больше нет dhcp-серверов в сети
• запускающий сам решает, какой адрес выдать
• DHCP Release и DHCP Decline игнорируются

Слушатель

В первую очередь нужно научиться принимать пакеты. Для этого необходим дипломированный сочувственный слушатель, например, nc. Но не всякий nc подойдёт для этих целей. OpenBSD netcat 1.130 с дебиана подходит, а вот 1.105 с Ubuntu уже нет. Запустим nc слушать все UDP-пакеты, прилетающшие на порт 67.

nc -l 0.0.0.0 -up 67 -w0

OpenBSD netcat нужен в том числе из-за ключа -w со значением 0. После получения одного пакета (UDP Broadcast) традиционный nc не принимает больше пакетов, но и не завершается.

Работа с сырыми байтами

В командном интерпретаторе весьма сложно работать с непечатными символами, например с нуль-символом: он его просто игнорирует. А DHCP-пакет содержит множество байт 0x00 (например, поле file). Решение проблемы приходит в виде hex-dump'а:

 nc -l 0.0.0.0 -up 67 -w0 | stdbuf -o0 od -v -w1 -t x1 -An

По одному байту на строку, без вывода адреса, не пропуская повторяющиеся байты. Можно так же приправить stdbuf -o0, чтобы вывод не буферизировался.

Получение, хранение и обработка пакетов

Из stdout команды od байты забираются командой read и складываются в массив.

msg=()
for i in {0..235}; do
	read -r tmp
	msg[$i]=$tmp
done

Хотя все значения передаются в шестнадцатеричной системе счисления, номер DHCP Option и длину опции лучше всего выводить на экран/в логи в привычном десятичном виде. Для этого можно воспользоваться краткой записью bash'a:

$ op=AC
$ echo $((16#$op))
172

Принятый пакет редактируется в соответствии с типом запроса (Discover или Request) и отправляется обратно.

Отправка ответа

Впрочем, отправка пакета не такая уж и простая задача. Сначала нужно конвертировать байты из дампа в сырые байты и отправить сразу всё одним пакетом.
Конвертацию можно сделать утилитой printf с помощью escape-последовательностей. А чтобы ничего не потерялось, записывать байты сразу в файл.

# Зачищаем файл
>/tmp/dhcp.payload
# Записываем начало фиксированной длины
for i in ${msg[*]}; do
	printf "x$i" >> /tmp/dhcp.payload 	
done

Для отправки так же используется OpenBSD netcat. Однако, если в качестве слушателя версия 1.105 с Ubuntu подходит, то вот для рассылки широковещательных UDP-сообщений не годится: получаем ошибку protocol not available.

cat /tmp/dhcp.payload | nc -ub 255.255.255.255 68 -s $SERVER -p 67 -w0

Ключ -b разрешает отправку широковещательных сообщений и это вторая причина, по которой сервер необходимо запускать из-под суперпользователя.

Что там с ограничениями?

Данный DHCP-сервер разрабатывался при упрощениях типа одного клиента в сети. Однако, он будет работать и при нескольких клиентах. Просто адрес получит быстрейший.

Вывод

Хотя bash-скрипты сложно назвать полноценным языком программирования, тем не менее, при должном желании можно решить даже такие задачи, как выдача IP-адреса в сети без использования специально предназначенного для этого ПО. А решение специфичных задач не только приносит радость, но и новые знания, которые открылись в момент решения.

Источники

1. DHCP — Википедия
2. DHCP and BOOTP Parameters — IANA

Автор: Владимир

Источник