基于CPT的DHCP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

張璐璐，吳麗杰，魯 玉

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院，安徽合肥 230011)

1 DHCP簡介

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)，是基于TCP/IP協(xié)議簇的一種動(dòng)態(tài)地址分配方案，是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它使用UDP協(xié)議工作，主要作用是集中的管理、分配IP地址，并能夠提升地址的使用率。當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，DHCP能自動(dòng)地為這臺(tái)計(jì)算機(jī)配置有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和DNS等。這樣，可把所有TCP/IP協(xié)議的配置信息集中存儲(chǔ)到DHCP服務(wù)器上。集中的存儲(chǔ)和管理能夠避免IP地址的沖突，同時(shí)把管理員從繁重的手工配置勞動(dòng)中解放出來。網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越大，DHCP的優(yōu)勢就越明顯。DHCP通常被應(yīng)用于大型的局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，采用C/S模型。當(dāng)DHCP服務(wù)器接收到來自網(wǎng)絡(luò)主機(jī)申請地址的請求信息時(shí)，才會(huì)向網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送相關(guān)的地址配置信息[1]。

DHCP的工作過程分為4個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 單服務(wù)器DHCP工作過程流程圖

第一階段DHCP Discover，即DHCP Client尋找DHCP Server的階段?？蛻魴C(jī)以廣播方式發(fā)送DHCP Discover發(fā)現(xiàn)信息來尋找服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)中每一臺(tái)主機(jī)都會(huì)接收到這種廣播信息，但只有服務(wù)器才會(huì)作出響應(yīng)；第二階段DHCP Offer，即DHCP Server提供地址信息的階段。網(wǎng)絡(luò)中DHCP Server接收到DHCP Discover發(fā)現(xiàn)信息會(huì)作出響應(yīng)：它從未租用的地址中挑選一個(gè)分配給DHCP Client，并向DHCP Client發(fā)送包含出租地址和其他設(shè)置的DHCP Offer提供信息；第三階段DHCP Request，即DHCP Client接受DHCP Server提供的地址信息的階段。若多臺(tái)DHCP Server向DHCP Client發(fā)來DHCP Offer提供信息，DHCP Client只接受首次收到的DHCP Offer提供信息，然后以廣播方式回答一個(gè)DHCP Request請求信息，其中包含提供選定地址的DHCP Server的IP地址，從而能準(zhǔn)確地被DHCP Server接受并回應(yīng)；DHCP Ack，即DHCP Server向DHCP Client發(fā)送確認(rèn)信息的階段。當(dāng)DHCP Server收到DHCP Client的DHCP Request請求信息之后，它便向DHCP Client發(fā)送DHCP Ack確認(rèn)信息，其中包含它所提供的IP地址信息等，告知DHCP Client可使用次IP地址信息。最后DHCP Client將IP地址與網(wǎng)卡綁定，完成IP相關(guān)信息的租借過程。多服務(wù)器的DHCP工作過程如圖2所示。

圖2 多服務(wù)器的DHCP工作過程

2 CPT簡介

思科包跟蹤程序(Cisco Packet Tracer)屬于思科公司的內(nèi)部軟件,它是一種能模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境從而幫助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)習(xí)的模擬工具。針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，該軟件不僅能模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò),還能配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而還原各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,更能依據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊情況來排除網(wǎng)絡(luò)故障等，從而使得學(xué)習(xí)者得到實(shí)戰(zhàn)級(jí)的鍛煉。使用該軟件可以學(xué)習(xí)IOS的多種配置、鍛煉網(wǎng)絡(luò)故障排查能力。該軟件界面簡潔,便于使用，用戶只需要在用戶圖形界面上拖曳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，且有?shí)時(shí)和模擬兩種狀態(tài)，可提供靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中行進(jìn)的詳細(xì)過程，從而能觀測網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。CPT作為網(wǎng)絡(luò)仿真程序其功能強(qiáng)大，不僅有多種允許使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還可以幾乎無限數(shù)量地創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，從而能鼓勵(lì)、實(shí)踐、發(fā)現(xiàn)和排除網(wǎng)絡(luò)故障[2]。CPT允許模擬實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)行為，測試有多種可能性方案的問題，并要通過逐漸深入的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，CPT提供的仿真、可視化、編輯、評(píng)估和協(xié)作的能力則更為重要，有利于對復(fù)雜的技術(shù)概念的理解和驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)以華辰企業(yè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)管理需求為背景，以雙DHCP服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部基本的網(wǎng)絡(luò)信息的自動(dòng)分配。實(shí)驗(yàn)以3臺(tái)主機(jī)、2臺(tái)對等服務(wù)器簡單模擬企業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)DHCP服務(wù)，完成3臺(tái)主機(jī)的IP等信息的自動(dòng)獲取，并保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，繼而滿足企業(yè)內(nèi)某一部門網(wǎng)絡(luò)管理的需求。

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

通過思科仿真軟件CPT，只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)便可模擬出實(shí)驗(yàn)所需要的環(huán)境和設(shè)備。需要模擬出：兩臺(tái)服務(wù)器Cisco Server，充當(dāng)DHCP Server；一臺(tái)交換機(jī)Cisco2950，組建局域網(wǎng)；三臺(tái)PC，作為測試終端DHCP Client1-3。圖3為此次實(shí)驗(yàn)環(huán)境的拓?fù)涫疽狻?/p>

圖3 多服務(wù)器的DHCP實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)的IP均在192.168.1.0/24網(wǎng)段內(nèi)，其中DHCP Server1固定IP為192.168.1.2，開始IP地址：192.168.1.6；DHCP Server2固定IP為192.168.1.3，開始IP地址：192.168.1.200，其中DHCP Server1服務(wù)配置頁面如圖4所示。

圖4 DHCP Server中服務(wù)配置

對于DHCP Client1-3只需要在桌面系統(tǒng)的IP地址配置中選擇自動(dòng)獲取即可自動(dòng)獲取IP地址等信息。當(dāng)DHCP Server1掉線或有誤時(shí)，DHCP Server2亦可完成IP地址信息的自動(dòng)分配，確保了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

刪除DHCP Server1在網(wǎng)絡(luò)中的連線，模擬DHCP Server1故障中斷。原來已經(jīng)從DHCP Server1中獲取地址信息的DHCP Client，在DHCP租約時(shí)間到期50%前不會(huì)改變，之后DHCP Client便會(huì)向?yàn)镈HCP Server1發(fā)送更新請求，如果更新失敗，暫時(shí)不采取任何措施。在當(dāng)前租約期限過去87.5%時(shí)，客戶機(jī)再次嘗試更新，如果更新失敗，則DHCP Client將廣播DHCP Request包，接受DHCP Server2的租約[3]。圖5為刪除DHCP Server1在網(wǎng)絡(luò)中的連線后，DHCP Server2單獨(dú)服務(wù)，DHCP Client1的信息自動(dòng)獲取情況。

圖5 單個(gè)服務(wù)器下Client1的信息獲取

對于DHCP Server1和DHCP Server2的配置，需要做以下說明：DHCP Server1、DHCP Server2的DHCP服務(wù)配置在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中應(yīng)完全相同，實(shí)驗(yàn)中地址池及DNS服務(wù)器配置不同是為了方便客戶端驗(yàn)證使用了哪個(gè)DHCP Server；為了避免IP沖突，應(yīng)把DHCP Server以及網(wǎng)關(guān)的IP地址從地址池中排除，但DHCP Server有檢測機(jī)制，可以排除已使用的IP地址。

圖6 路由器作DHCP Server

3.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維中，情況更為復(fù)雜。例如，自動(dòng)分配的IP地址序列往往不能連續(xù)，需要剔除特殊的IP地址，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠鐖D6所示。網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)網(wǎng)段，DHCP需要跨網(wǎng)段提供服務(wù)，即DHCP Relay，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7所示。這些或者更為復(fù)雜的情況下，DHCP服務(wù)往往是由路由器或三層交換機(jī)來提供。

3.2.1 路由器提供DHCP服務(wù)

華辰企業(yè)某部門內(nèi)部使用Cisco 2811作為IOS DHCP Server，它和內(nèi)網(wǎng)相連的fastethernet0端口的IP地址為172.25.1.1/24，二層交換機(jī)采用Cisco 2950。如圖6所示，連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與計(jì)算機(jī)設(shè)備，配置設(shè)備及端口的地址和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，并將測試主機(jī)設(shè)置為IP配置自動(dòng)獲取。其中用作DHCP Server的Cisco 2811路由器Route1的主要配置命令如下：

Router1#configure terminal

Router1(config)#service dhcp //開啟DHCP服務(wù)

Router1(config)#ip dhcp pool 172.25.1.0/24 //定義DHCP地址池

Router1(config)#network 172.25.1.0 255.255.255.0 // 用network命令來定義網(wǎng)絡(luò)地址的范圍

Router1(config)#default-router 172.25.1.1 //定義要分配的網(wǎng)關(guān)地址

Router1(config)#exit

Router1#ip dhcp excluded-address 172.25.1.1 172.25.1.50 //該范圍內(nèi)的ip地址不能分配給客戶端

Router1#ip dhcp excluded-address 172.25.1.66 //單個(gè)ip地址不能分配給客戶端

Router1#show ip dhcp binding//查看DHCP客戶機(jī)地址分配情況

IP address Client-ID/ Lease expiration Type

Hardware address

172.25.1.51 0060.70D8.2667 --

在實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)DHCP Client從 DHCP Server動(dòng)態(tài)獲取的地址信息與其他主機(jī)地址相沖突的現(xiàn)象。這多是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)上有主機(jī)手動(dòng)配置了IP地址。具體修正方法為：斷開故障DHCP Client的網(wǎng)線，在另一臺(tái)客戶機(jī)上執(zhí)行ping命令，并設(shè)置較長的超時(shí)時(shí)間，用以檢測網(wǎng)絡(luò)中是否存在該地址信息的主機(jī)；在DHCP Server上執(zhí)行ip dhcp excluded-address命令，禁止該地址參與動(dòng)態(tài)分配；連接好故障DHCP Client的網(wǎng)線，將故障DHCP Client釋放并重新獲取IP地址。DHCP Client分別執(zhí)行ipconfig/release和ipconfig/renew命令即可。

3.2.2 DHCP中繼服務(wù)

由DHCP工作過程可知，DHCP Discover、DHCP Offer等各類報(bào)文信息均采用廣播的方式發(fā)送。所以一般DHCP服務(wù)，即動(dòng)態(tài)IP地址的分配只適用于DHCP Server和DHCP Client均處于同一個(gè)子網(wǎng)。如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有多個(gè)子網(wǎng)的存在，僅為了動(dòng)態(tài)主機(jī)配置，就需要在每個(gè)網(wǎng)段上均設(shè)置DHCP Server，這將會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。DHCP中繼能很好地解決這一問題：DHCP Client通過DHCP Relay與各個(gè)網(wǎng)段的DHCP Server進(jìn)行通信，最終獲取地址信息[4]。如是，多個(gè)子網(wǎng)的DHCP Client可使用同一DHCP Server，既節(jié)省成本，又便于集中管理。DHCP Relay的原理：當(dāng)DHCP服務(wù)需要跨越不同網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用DHCP Relay可實(shí)現(xiàn)DHCP Client從不同網(wǎng)段的DHCP Server獲取IP地址。DHCP Relay在接收到DHCP Client發(fā)出的廣播DHCP消息后，會(huì)重新生成一個(gè)單播DHCP消息并直接轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程網(wǎng)段的DHCP Server處。

華辰公司需要配置DHCP Server使內(nèi)網(wǎng)中多個(gè)網(wǎng)段的主機(jī)能主動(dòng)獲取IP地址等信息，要求把路由器配置為DHCP Server，并使用三層交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)DHCP Relay功能。如圖7所示，DHCP Server采用Cisco 2620xm，DHCP中繼采用Cisco 3560，接入層交換機(jī)采用Cisco 2950。兩臺(tái)服務(wù)器主機(jī)分別提供DNS及FTP服務(wù)，PCA和PCB是用來測試各種服務(wù)的客戶端。

圖7 路由器實(shí)現(xiàn)DHCP Relay

如圖7所示，連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與計(jì)算機(jī)設(shè)備，配置設(shè)備及端口的地址和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，并將測試主機(jī)設(shè)置為IP配置自動(dòng)獲?。辉谌龑咏粨Q機(jī)L3-Switch和二層交換機(jī)SWA上分別劃分VLAN10和VLAN20兩個(gè)VLAN；在交換機(jī)之間建立TRUNK鏈路，使兩設(shè)備VLAN10和VLAN20間可以互通；把兩設(shè)備中對應(yīng)的端口分別加入到VLAN10和VLAN20中[5]；在路由器DCHP-Server上設(shè)置靜態(tài)路由，配置各網(wǎng)段的下一跳路由，在DHCP Relay(L3-Switch)上設(shè)置靜態(tài)路由，配置各網(wǎng)段的下一跳路由；在DCHP-Server上配置DHCP服務(wù)，參數(shù)分配如下：名稱VLAN10-DHCP，動(dòng)態(tài)地址172.16.10.0網(wǎng)段，租期3小時(shí)，網(wǎng)關(guān)172.16.10.254，DNS 8.8.8.8；名稱VLAN20-DHCP，動(dòng)態(tài)地址172.16.20.0網(wǎng)段，租期5小時(shí)，網(wǎng)關(guān)172.16.20.254，DNS 8.8.8.8。最后啟用DHCP Relay(L3-Switch)的DHCP服務(wù)，指定DHCP服務(wù)器的地址；在DHCP Client(PCA與PCB)上測試DCHP的服務(wù)，在DHCP-Serve上查看地址綁定信息。其中各主要設(shè)備的配置命令如下：

(1)路由器DCHP-Server的主配命令

DHCP-Server(config)#service dhcp //開啟DHCP服務(wù)

DHCP-Server(config)#ip dhcp pool VLAN10-DHCP //創(chuàng)建一個(gè)名為VLAN10-DHCP的DHCP地址池

DHCP-Server(dhcp-config)#network 172.16.10.0 255.255.255.0 //指定VLAN10-DHCP地址池的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和掩碼

DHCP-Server(dhcp-config)#default-router 172.16.10.254 //為VLAN10-DHCP客戶指定缺省的默認(rèn)路由器，即PC中的網(wǎng)關(guān)

DHCP-Server(dhcp-config)#dns-server 8.8.8.8 //為VLAN10-DHCP客戶指定DNS服務(wù)器的IP

DHCP-Server(dhcp-config)#lease 0 3 0 // 指定VLAN10-DHCP客戶的持續(xù)時(shí)間為3小時(shí)

DHCP-Server(dhcp-config)#exit

DHCP-Server(config)#

DHCP-Server(config)#service dhcp //開啟DHCP服務(wù)

DHCP-Server(config)#ip dhcp pool VLAN20-DHCP //創(chuàng)建一個(gè)名為VLAN20-DHCP的DHCP地址池

DHCP-Server(dhcp-config)#network 172.16.20.0 255.255.255.0 //指定VLAN20-DHCP地址池的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和掩碼

DHCP-Server(dhcp-config)#default-router 172.16.20.254 //為VLAN20-DHCP客戶指定缺省的默認(rèn)路由器，即PC中的網(wǎng)關(guān)

DHCP-Server(dhcp-config)#dns-server 8.8.8.8 //為VLAN20-DHCP客戶指定DNS服務(wù)器的IP

DHCP-Server(dhcp-config)#lease 0 5 0 // 指定VLAN20-DHCP客戶的持續(xù)時(shí)間為5小時(shí)

DHCP-Server(dhcp-config)#exit

DHCP-Server(config)#

DHCP-Server(config)#ip dhcp excluded-address 172.16.10.254 //保留VLAN10-DHCP中地址172.16.10.254不分配

DHCP-Server(config)#ip dhcp excluded-address 172.16.10.2//保留VLAN10-DHCP中地址172.16.10.2不分配

DHCP-Server(config)#ip dhcp excluded-address 172.16.20.254//保留VLAN20-DHCP中地址172.16.20.254不分配

(2)三層交換機(jī)DCHP中繼的主配命令

L3-Switch(config)#service dhcp //開啟DHCP服務(wù)

L3-Switch(config)#ip help-address 10.1.1.1 //指定DHCP Server的地址，表示會(huì)向該服務(wù)器發(fā)送DHCP請求包

該實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)分配結(jié)果可在路由器DHCP-Server上進(jìn)行查看：

DHCP-Server#show ip dhcp binding

IP address Client-ID/ Lease expiration Type

Hardware address

172.16.10.1 00D0.BA8C.4EC6 -- Automatic

172.16.20.1 0030.F256.2150 -- Automatic

實(shí)驗(yàn)配置的注意事項(xiàng)：DCHP Server配置時(shí)，應(yīng)設(shè)置網(wǎng)關(guān)和DNS，這樣可以保證正常訪問外網(wǎng)，還應(yīng)排除固定地址，以防止IP沖突引起網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定；配置完成后應(yīng)先在PCA與PCB上測試DCHP的服務(wù)，然后才能在DCHP Server中查看到綁定的信息。

實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)客戶端無法通過DHCP Relay獲得地址信息的現(xiàn)象。這多是因?yàn)镈HCP Relay或DHCP Server的配置有誤[6]。具體修正方法為：檢查DHCP Server和DHCP Relay是否開啟DHCP服務(wù)；檢查DHCP Server是否已經(jīng)配置了對應(yīng)于DHCP Client所在網(wǎng)段的地址池；檢查DHCP Relay和DHCP Server是否已經(jīng)配置有相互可達(dá)的路由；檢查DHCP Relay是否在接口(連接DHCP Client所在網(wǎng)段)上配置有正確的DHCP Server。

4 結(jié)語

在實(shí)際情況中，網(wǎng)絡(luò)管理較多使用WINDOWS或LINUX平臺(tái)搭建DHCP服務(wù)器，但是在WINDOWS或LINUX平臺(tái)上搭建DHCP服務(wù)器會(huì)涉及服務(wù)集群、數(shù)據(jù)同步等較為復(fù)雜的系統(tǒng)問題，還會(huì)涉及服務(wù)器型號(hào)兼容、硬件配置等環(huán)境問題。由于在網(wǎng)絡(luò)中Cisco設(shè)備有較為普遍的使用，采用Cisco IOS配置DHCP Server提供DHCP服務(wù)，無需以上問題的困擾，且配置簡單,冗余原理、中繼原理清晰，具有更高的穩(wěn)定性。本文通過思科軟件CPT模擬了DHCP服務(wù)在不同環(huán)境中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)，充分展示了DHCP服務(wù)的原理及配置方式。為了更加貼合無線網(wǎng)絡(luò)遍及的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，后續(xù)還可以考慮采用無線路由和無線AP來提供DHCP服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

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