校園網(wǎng)中DHCP的部署研究

文/朱寶林 沈富可

校園網(wǎng)中DHCP的部署研究

文/朱寶林 沈富可

對(duì)于有大量主機(jī)的校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，一般采用DHCP動(dòng)態(tài)地址分配方案。本文描述了三種常見的DHCP實(shí)施方案，并比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合校園網(wǎng)的實(shí)際情況找出一種最適合的方案。

DHCP冗余備份的實(shí)現(xiàn)方式

早期的保障服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行方案是配置兩臺(tái)以上的DHCP服務(wù)器，保證有一定的冗余度，假如其中的一臺(tái)DHCP服務(wù)器出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)DHCP服務(wù)器就會(huì)承擔(dān)分配IP地址的任務(wù)，但用戶并不會(huì)察覺到DHCP服務(wù)器的變化。部署另一臺(tái)服務(wù)器來提供不重復(fù)的IP地址服務(wù)，如果一臺(tái)服務(wù)器出了故障，用戶可以從另一臺(tái)服務(wù)器接收地址。在這種方案下，可以設(shè)定主次服務(wù)器地址范圍比80：20或者50：50。DHCP協(xié)議有一種內(nèi)在的冗余格式：如果IP地址租用12天，那么與服務(wù)器的連接每6天驗(yàn)證一次。這樣，如果服務(wù)器出了故障，客戶還有至少6天的時(shí)間使設(shè)備恢復(fù)正常，以保證租用不受影響。故障只會(huì)影響新部署工作站的IP地址。

這種解決方案使得地址范圍增加，并且由于服務(wù)器之間沒有交流，因此也不能預(yù)測(cè)從哪一臺(tái)服務(wù)器上指派地址租用。由此引入改進(jìn)的冗余備份實(shí)現(xiàn)方式是：安裝一臺(tái)次服務(wù)器指派與原服務(wù)器地址范圍相同。任何添加或遷移只需從次服務(wù)器獲得地址。當(dāng)暫時(shí)租用時(shí)限過半時(shí)，將更新到主服務(wù)器。另外，還有一臺(tái)在主服務(wù)器失效時(shí)啟動(dòng)的DHCP備用服務(wù)器，減少主服務(wù)器宕機(jī)帶來的影響。

采用DHCP冗余備份會(huì)存在以下問題：第一，IP地址空間不足。當(dāng)有一個(gè)DHC服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，只有另外一個(gè)服務(wù)器的地址空間提供服務(wù)，但是為了防止IP地址沖突，兩個(gè)服務(wù)器地址池一定不一樣，因此另外一個(gè)地址空間只能分配給一個(gè)網(wǎng)段的一半。第二，主機(jī)的連接不能永遠(yuǎn)提供在線連接，可能會(huì)中斷后再連接。當(dāng)有一個(gè)DHCP服務(wù)器發(fā)生故障后，當(dāng)從此服務(wù)器獲的客戶端的IP地址到期時(shí)，它不能得到新的I P地址續(xù)用，就會(huì)中斷連接，重啟動(dòng)DISCOVERY 過程，造成一定時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)連接中斷。

由此可見，簡(jiǎn)單的DHCP冗余解決服務(wù)器安全運(yùn)行的問題的代價(jià)是付出較多的資源。隨著時(shí)間的發(fā)展，出現(xiàn)的針對(duì)服務(wù)器運(yùn)行安全的DHCP故障恢復(fù)草案（RFC2131），允許兩臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器指派相同的地址范圍，定義了主次服務(wù)器之間的交流信號(hào)，有效地解決了IP地址浪費(fèi)的問題。

故障恢復(fù)草案

DHCP服務(wù)器故障恢復(fù)最新草案是相對(duì)于方案一的DHCP冗余備份進(jìn)步，使主服務(wù)器和備份服務(wù)器之間有了更多的交流。本方案允許兩臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器指派相同的地址范圍。主服務(wù)器分發(fā)租用，次服務(wù)器監(jiān)視主服務(wù)器的狀態(tài)。兩臺(tái)服務(wù)器在所有時(shí)間彼此共享租用信息。為防止復(fù)制IP地址的可能性，次服務(wù)器有自己的地址庫，以備主服務(wù)器失效時(shí)使用。主服務(wù)器和次服務(wù)器使用同步，以保證冗余度。

DHCP故障恢復(fù)草案定義了三種類型的服務(wù)器到服務(wù)器的信號(hào)：服務(wù)器租用同步信號(hào)、操作狀態(tài)信號(hào)及“我回來了”信號(hào)來同步地址租用信息，以便任何簽約用戶能用任一臺(tái)服務(wù)器更新。服務(wù)器租用同步信號(hào)用于主次服務(wù)器間交流主服務(wù)器地址池內(nèi)地址租用狀況；操作狀態(tài)信號(hào)，是主次服務(wù)器間傳送的問候包；“我回來了”信號(hào)是在主服務(wù)器死機(jī)恢復(fù)后向接管主服務(wù)器分發(fā)地址的次服務(wù)器發(fā)出的信號(hào)，用于協(xié)調(diào)收回地址分發(fā)角色。這些信號(hào)都以標(biāo)準(zhǔn)DHCP包編碼。

冗余DHCP服務(wù)器遵循DHCP故障恢復(fù)草案，通過服務(wù)器租用同步信號(hào)彼此交流租用信息。當(dāng)兩臺(tái)服務(wù)器工作正常時(shí)，主次服務(wù)器間會(huì)有連續(xù)的信息流用來交流租用信息：當(dāng)有客戶端請(qǐng)求IP地址租用時(shí)，由主服務(wù)器分發(fā)出一個(gè)新租約，主服務(wù)器發(fā)送添加信號(hào)到次服務(wù)器，當(dāng)租用期到達(dá)更新狀態(tài)時(shí)，租約會(huì)有變化，服務(wù)器發(fā)送刷新信號(hào)；當(dāng)租約期滿，服務(wù)器收回地址，地址又成為可用的了，服務(wù)器發(fā)送刪除信號(hào)。在所有情況下，接收方服務(wù)器以肯定或否定的認(rèn)可信號(hào)來響應(yīng)。這些信號(hào)只有在請(qǐng)求DHCP客戶處理完畢后才發(fā)送給另一臺(tái)服務(wù)器。

除了和主服務(wù)器同步維護(hù)當(dāng)前的租用信息數(shù)據(jù)庫外，次服務(wù)器通過監(jiān)視兩臺(tái)服務(wù)器的TCP連接來實(shí)現(xiàn)來留意主服務(wù)器，以便得知何時(shí)取代租用的分發(fā)。次服務(wù)器使用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以確定它和主服務(wù)器的連接是否滿意：一，必須能建立TCP連接；二，必須接收到主服務(wù)器發(fā)送的連接信號(hào)，并以連接認(rèn)可響應(yīng)；三，必須接收到主服務(wù)器發(fā)出的狀態(tài)信號(hào)，用它來確定自己的操作狀態(tài)。

當(dāng)主服務(wù)器出故障復(fù)活了，想收回次服務(wù)器的控制權(quán)，只需要向次服務(wù)器發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)三個(gè)信號(hào)序列：控制請(qǐng)求、控制恢復(fù)初始和控制恢復(fù)完成。

DHCP負(fù)載平衡算法

DHCP負(fù)載平衡算法（RFC3074）最初用來支持特定的DHCP失敗請(qǐng)求協(xié)議的負(fù)載平衡優(yōu)化，后來推廣到用來優(yōu)化多個(gè)合作的DHCP服務(wù)器。

由于客戶機(jī)采用UDP廣播來聯(lián)系DHCP 服務(wù)器，客戶機(jī)的DHCPDISCOVER報(bào)文可以被多臺(tái)服務(wù)器接收到。所有接收到這條廣播的服務(wù)器會(huì)對(duì)客戶機(jī)做出響應(yīng)，于是客戶機(jī)會(huì)收到多個(gè)服務(wù)器發(fā)送DHCPOFFER報(bào)文，每個(gè)響應(yīng)報(bào)文都帶有客戶配置信息，以及服務(wù)器向客戶提供的IP地址，由客戶端決定選擇接受哪一臺(tái)服務(wù)器提供的響應(yīng)。

在DHCP負(fù)載平衡算法中建議了一種實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的負(fù)載均衡方法：它讓多個(gè)合作的服務(wù)器使用散列算法，根據(jù)服務(wù)器端散列存儲(chǔ)的客戶機(jī)MAC 地址，將不同的MAC地址的DHCP請(qǐng)求發(fā)送給不同的DHCP服務(wù)器，由算法決定哪一個(gè)服務(wù)器來為客戶提供IP地址，而不必在初始設(shè)置時(shí)作任何信息交換。本方案中，參與服務(wù)的服務(wù)器都擁有一個(gè)SID（可以是服務(wù)器的IP地址或者DNS名字），通過散列算法找出響應(yīng)服務(wù)器，直接將客戶端的請(qǐng)求報(bào)文送達(dá)響應(yīng)服務(wù)器，這種一對(duì)一的響應(yīng)協(xié)商，減少了客戶端選擇服務(wù)器的步驟，進(jìn)而提高了DHCP工作效率。

DHCP負(fù)載平衡算法能夠在現(xiàn)有多個(gè)服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的合理分配，避免服務(wù)器處理來自客戶端請(qǐng)求的不均衡。為了在主次服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡算法，兩個(gè)服務(wù)器都必須能夠決定響應(yīng)哪些客戶端的DHCPDISCOVER，因此要求服務(wù)器能夠通過客戶端的請(qǐng)求報(bào)文快速?zèng)Q定是否為此客戶端服務(wù)。此外，DHCP負(fù)載平衡算法還能夠配置主次服務(wù)器服務(wù)客戶端數(shù)量的百分比，由于客戶機(jī)請(qǐng)求的隨機(jī)性難以預(yù)測(cè)，對(duì)短期而言，實(shí)際的客戶機(jī)得到的請(qǐng)求百分比會(huì)偏離期望的百分比，但是隨著請(qǐng)求次數(shù)的增加，服務(wù)器的負(fù)載百分比就會(huì)達(dá)到設(shè)定值，因此很好地實(shí)現(xiàn)了DHCP服務(wù)器的負(fù)載均衡。隨后將使用支持DHCP負(fù)載平衡算法和故障恢復(fù)草案的CNR7.1來進(jìn)行部署實(shí)驗(yàn)。

比對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

我們準(zhǔn)備了兩個(gè)裝有CNR7.1的Linux主機(jī)當(dāng)作拓?fù)渲械姆?wù)器，一個(gè)交換機(jī)和四臺(tái)客戶機(jī)。

具體測(cè)試過程如下：

第1步，為兩個(gè)服務(wù)器設(shè)置IP地址Click DHCP ， then Failover to open the List DHCP Failover Pairs page.創(chuàng)建 。服務(wù)器1的地址192.168.27.2；服務(wù)器2的地址192.168.27.102，兩服務(wù)器地址池范圍相同：192.168.27.10-192.168.27.100

第 2步，用CNR提供的負(fù)載均衡功能配置 DHCP 負(fù)載均衡對(duì)：CNR提供了配置負(fù)載均衡對(duì)的功能，需要服務(wù)器的地址、登錄用戶名及密碼，設(shè)置服務(wù)器負(fù)載百分比為50：50，在網(wǎng)絡(luò)連接通暢的情況下，所設(shè)置成負(fù)載均衡對(duì)的服務(wù)器之間就可以使用CNR進(jìn)行交流，從而由CNR經(jīng)過DHC負(fù)載平衡算法，決定將客戶端的請(qǐng)求送給哪個(gè)DHCP服務(wù)器。

客戶端PC1和PC4從服務(wù)器2（IP地址為：192.168.27.102）獲得地址，PC2和PC3從服務(wù)器1（IP地址為：192.168.27.2）獲得地址，這里可以看到服務(wù)器負(fù)載百分比正好是50：50和設(shè)定值一樣，但是由于前面所提到的客戶機(jī)請(qǐng)求的隨機(jī)性，DHCP負(fù)載平衡算法并不能保證少量客戶端請(qǐng)求的正確性，但是這個(gè)結(jié)果可以證明在使用DHCP負(fù)載平衡算法的CNR上進(jìn)行服務(wù)器的負(fù)載平衡設(shè)置是可行的。

第3步，設(shè)置故障轉(zhuǎn)移服務(wù)器對(duì)，主DHCP服務(wù)器地址為Server 1，次服務(wù)器為Server 2。當(dāng)主服務(wù)器從網(wǎng)絡(luò)斷開是，通過CNR的，次服務(wù)器會(huì)收到主服務(wù)器宕機(jī)消息，快速接管主服務(wù)器的角色，為其它主機(jī)分配地址。

在主次服務(wù)器故障轉(zhuǎn)移中，主服務(wù)器宕機(jī)后，次服務(wù)器（IP地址為：192.168.27.102）能夠快速順利地為環(huán)境中的四個(gè)客戶機(jī)分配地址。由此可見，采用負(fù)載均衡算法的CNR7.1能夠很好地將來自客戶端的請(qǐng)求分布到兩個(gè)或者多個(gè)DHCP服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)了地址分配的負(fù)載均衡。

當(dāng)一個(gè)DHCP工作不正常的時(shí)候，次服務(wù)器能夠快速、正確地為所有客戶端分配地址，提高了DHCP服務(wù)器的工作可靠性。由此可見，故障恢復(fù)草案能實(shí)現(xiàn)快速的故障轉(zhuǎn)移，減少了校園網(wǎng)絡(luò)中DHCP服務(wù)器非正常停機(jī)帶來的危害。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)故障恢復(fù)草案的優(yōu)點(diǎn)是，它更好地解決了大量IP地址浪費(fèi)問題。在多個(gè)承擔(dān)相同任務(wù)的服務(wù)器之間的交流信號(hào)的定義，讓服務(wù)器之間聯(lián)系更加緊密。主次服務(wù)器地址租用的同步，使得次服務(wù)器在主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)能夠安全快速接管工作，已經(jīng)分配IP地址的客戶機(jī)，可以在需要的時(shí)候直接續(xù)租地址，從而減輕租用新地址帶來的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

DHCP負(fù)載平衡算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在多臺(tái)對(duì)等的服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)自定百分比的負(fù)載平衡，可自由設(shè)定服務(wù)器負(fù)載百分比，也保障了校園網(wǎng)中DHCP安全可靠運(yùn)行。同時(shí)使用故障恢復(fù)草案和DHCP負(fù)載平衡算法，可以最好地保障校園網(wǎng)的DHCP服務(wù)器的安全運(yùn)行。

對(duì)于高校來說，下一步的工作要從IPv6下的校園網(wǎng)DHCP分配和無線AP與控制器的快速聯(lián)系兩個(gè)方面入手，尋找建立安全、快速的校園網(wǎng)動(dòng)態(tài)地址分配方法。

(作者單位為華東師范大學(xué))