基于IPv4/IPv6雙棧的企業(yè)網(wǎng)關(guān)中DHCP機(jī)制研究

劉澤偉，董喜明，毛永紅

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074;2.武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

隨著網(wǎng)絡(luò)信息化的飛速發(fā)展，IPv4向IPv6過渡的趨勢(shì)日漸明顯。雙棧技術(shù)可以很好地解決過渡過程中IPv4和IPv6的兼容性問題，因此在通信設(shè)備上得到了廣泛支持。然而，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，要開發(fā)出好的設(shè)備產(chǎn)品，僅是對(duì)雙棧技術(shù)的支持還不夠，解決好網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在雙棧環(huán)境下的兼容性與穩(wěn)定性才是關(guān)鍵。

在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)地址的DHCP［1］功能是必不可少的。隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，IETF在2003年重新制定了針對(duì)IPv6的DHCP協(xié)議，即DHCPv6［2］。本文首先對(duì)企業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)IPv4，IPv6環(huán)境下的DHCP協(xié)議展開了研究，最后結(jié)合兩者的異同點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種適用于雙棧網(wǎng)關(guān)的DHCP協(xié)議軟件，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用驗(yàn)證了該軟件模塊具有良好的穩(wěn)定性和兼容性［3］。

1 系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為本企業(yè)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖，主芯片采用Marvel公司出產(chǎn)的88F6560ARM芯片，產(chǎn)品具備3G接入、WiFi接入、GPON/EPON/以太網(wǎng)光口上行功能、GE口接入功能。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用以下3種控制方式，可以靈活方便地實(shí)現(xiàn)與用戶的交流。

圖1 企業(yè)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

1)TR069軟件平臺(tái):用戶在局端通過自動(dòng)配置的服務(wù)器對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，提供了自動(dòng)配置和動(dòng)態(tài)服務(wù)、軟固件管理、狀態(tài)性能統(tǒng)計(jì)監(jiān)控、診斷等功能。

2)CLI命令行:通過串口連接設(shè)備，允許用戶使用命令行對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，提供了監(jiān)控、診斷等功能。

3)Web網(wǎng)管平臺(tái):用戶可通過Web瀏覽器登錄管理平臺(tái)，對(duì)企業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、軟固件升級(jí)和診斷。

2 IPv4/IPv6雙棧環(huán)境下企業(yè)網(wǎng)關(guān)的DHCP實(shí)現(xiàn)機(jī)制

IPv4和IPv6環(huán)境下的DHCP協(xié)議類似，兩者都是基于C/S的動(dòng)態(tài)地址分配協(xié)議，為了便于區(qū)別，本文將IPv4環(huán)境下的DHCP命名為DHCPv4。在研究了DHCPv4和DHCPv6的消息機(jī)制后，從以下兩個(gè)方面對(duì)協(xié)議進(jìn)行了深一步的研究:一是地址狀態(tài)的遷移，二是C/S的交互。

2.1 IPv4/IPv6雙棧環(huán)境下DHCP地址狀態(tài)的設(shè)計(jì)

根據(jù)前期對(duì)DHCPv4和DHCPv6協(xié)議的分析，從地址活動(dòng)的角度來看，可以將DHCP地址狀態(tài)歸納為以下5種(見圖2):1)綁定狀態(tài)(Bound);2)更新狀態(tài)(Renewing);3)重綁定狀態(tài)(Rebinding);4)超時(shí)狀態(tài)(Expired);5)失效狀態(tài)(Invalid)。

圖2 地址狀態(tài)遷移圖

從圖2可知，在IPv4/IPv6的DHCP機(jī)制下，地址的動(dòng)態(tài)遷移是以租約T為時(shí)間單位進(jìn)行的。當(dāng)?shù)刂纷庥脮r(shí)間到達(dá)T1(首選生命期的1/2)時(shí)，客戶端向服務(wù)器發(fā)送租期更新消息;當(dāng)?shù)刂纷庥脮r(shí)間到達(dá)T2(首選生命期的0.8)時(shí)，客戶端向服務(wù)器發(fā)送重綁定消息，或等待租期滿約直接進(jìn)入超時(shí)狀態(tài);當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送重綁定消息超時(shí)未響應(yīng)后，客戶端地址失效，客戶端將重開始申請(qǐng)IP綁定。

2.2 IPv4/IPv6雙棧環(huán)境下DHCP客戶端/服務(wù)器交互機(jī)

制的實(shí)現(xiàn)

圖3所示DHCPv4/DHCPv6的結(jié)構(gòu)主要分為Server，Client和Relay三部分，三者通過各種UDP消息進(jìn)行交互。

圖3 DHCP結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 DHCPv4 的 Client/Server交互過程

DHCPv4的Client/Server交互過程如圖4所示。

1)DHCPv4 Server請(qǐng)求

DHCPv4 Client申請(qǐng)IP地址前，先發(fā)廣播報(bào)文DISCOVER，DHCPv4 Server接收到請(qǐng)求報(bào)文后，回應(yīng)OFFER報(bào)文。

2)IP址地請(qǐng)求

DHCP Client收到OFFER報(bào)文后，然后發(fā)出廣播報(bào)文REQUEST，收到Server回應(yīng)的ACK后，就可以得到IP地址。得到Server分配的IP后，Client會(huì)對(duì)地址進(jìn)行有效性檢測(cè)，若該地址不可用，則回到初始狀態(tài)重新開始地址申請(qǐng)。

圖4 DHCPv4的Client/Server交互過程

3)地址租期更新

被分配的地址使用達(dá)到T1后，DHCPv4 Client發(fā)單播報(bào)文REQUEST請(qǐng)求，DHCPv4 Server給出ACK響應(yīng)或NAK響應(yīng)報(bào)文，DHCPv4 Client若收到ACK則更新租約，若收到NAK則重新發(fā)起申請(qǐng)。

4)地址重綁

若DHCPv4 Client一直都沒有收到ACK報(bào)文，當(dāng)?shù)竭_(dá)T2后，DHCPv4 Client會(huì)發(fā)出廣播的DHCP續(xù)約報(bào)文請(qǐng)求地址重綁。若一直未收到ACK響應(yīng)報(bào)文，則租期滿后DHCPv4 Client分配到的IP自動(dòng)失效。

5)客戶端重啟后的地址分配

DHCPv4 Client重啟后不會(huì)回到初始狀態(tài)重新申請(qǐng)IP，而是直接廣播一個(gè)REQUEST報(bào)文給DHCPv4 Server。DHCPv4 Server收到報(bào)文后，檢查該報(bào)文Requested IP address字段填入的客戶端IP是否已被其他客戶端使用，若未被使用則直接將該IP地址重分配給該客戶端，否則回復(fù)一個(gè)NAK響應(yīng)報(bào)文。DHCPv4 Client收到報(bào)文后，回到初始狀態(tài)重新申請(qǐng)IP。

2.2.2 DHCPv6 的 Client/Server交互過程

DHCPv6的Client/Server交互過程如圖5所示。

圖5 DHCPv4的Client/Server交互過程

1)DHCPv6 Server請(qǐng)求

DHCPv6 Client申請(qǐng)IP地址前，先向所有中繼代理和服務(wù)器組播(組播地址FF02::1:2)發(fā)送SOLICIT報(bào)文，DHCPv6 Server接收到請(qǐng)求報(bào)文后，回應(yīng)ADVERTISE報(bào)文。若DHCPv6 Client收到多份ADVERTISE報(bào)文，則根據(jù)消息接收的先后順序、服務(wù)器優(yōu)先級(jí)等，選定其中一個(gè)Server。

2)IP址地請(qǐng)求

DHCPv6 Client向選定的Server發(fā)送地址請(qǐng)求報(bào)文REQUEST，當(dāng)收到Server回應(yīng)的REPLY報(bào)文后，就可以得到由Server分配的IPv6地址/前綴和網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)了。

3)地址租期更新

當(dāng)?shù)刂?前綴租借時(shí)間到達(dá)T1后，DHCPv6 Client向Server單播發(fā)送RENEW報(bào)文，若當(dāng)前的地址/前綴可用，則Serve回復(fù)給DHCPv6 Client一個(gè)續(xù)約成功的REPLY報(bào)文，否則回復(fù)一個(gè)續(xù)約失敗的REPLY報(bào)文。DHCPv4 Client若收到續(xù)約成功的REPLY報(bào)文則更新租約，否則不進(jìn)行更新。

4)地址重綁

若DHCPv6 Client一直都沒有收到REPLY報(bào)文，則當(dāng)?shù)竭_(dá)T2后，DHCPv6 Client會(huì)組播(組播地址為FF05::1:3)發(fā)送REBIND報(bào)文請(qǐng)求地址重綁。若一直未收到重綁成功的REPLY響應(yīng)報(bào)文，則租期滿后DHCPv6 Client分配到的地址/前綴自動(dòng)失效，并向服務(wù)器發(fā)送RELEASE消息請(qǐng)求服務(wù)器收完分配的地址信息。

5)客戶端重啟后的地址分配

DHCPv6 Client重啟后，首先會(huì)直接向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)CONFIRM報(bào)文，確認(rèn)當(dāng)前所分配地址/前綴是否還有效，當(dāng)收到Server回復(fù)的REPLY報(bào)文后，若確認(rèn)有效則繼續(xù)使用，否則重新申請(qǐng)地址/前綴。

3 雙棧環(huán)境下企業(yè)網(wǎng)關(guān)的DHCP協(xié)議軟件的設(shè)計(jì)

3.1 雙棧環(huán)境下DHCP Server的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DHCP Server模塊主要分為3個(gè)部分:1)初始化函數(shù)(地址信息的初始化);2)主循環(huán)程序(循環(huán)等待服務(wù)請(qǐng)求);3)消息處理函數(shù)(消息處理、生成與發(fā)送)。

雙棧環(huán)境下DHCP Server流程如圖6所示。

初始化函數(shù)為所有可分配的地址(其數(shù)量由dhcp.db中地址池的開始地址和結(jié)束地址計(jì)算出)創(chuàng)建地址信息結(jié)構(gòu)體(Addr_Info_Str)對(duì)象，每個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)象都攜帶IP類型、地址/前綴、狀態(tài)、租用期及分配該地址的Client等信息。

圖6 DHCP Server流程圖

主循環(huán)程序的主要功能是:1)定時(shí)清理超時(shí)的綁定信息，并及時(shí)更新綁定信息，同時(shí)寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。2)維護(hù)已綁定地址信息。3)監(jiān)聽UDP端口(547和67)，隨時(shí)接收來自客戶端的DHCP報(bào)文，并將接收到的報(bào)文分類后發(fā)送給消息處理函數(shù)。

消息處理函數(shù)根據(jù)IP協(xié)議棧的類型分為DHCPv4的消息處理函數(shù)和DHCPv6的消息處理函數(shù)兩類，分別對(duì)來自不同客戶端的DHCP消息進(jìn)行響應(yīng)與處理。

3.2 雙棧環(huán)境下DHCP Client的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DHCP Client模塊由初始化、Server請(qǐng)求、IP請(qǐng)求、IP有效性檢測(cè)和IP維護(hù)部分組成，其主要功能是負(fù)責(zé)客戶端的地址申請(qǐng)、維護(hù)與釋放。

如圖7所示，當(dāng)DHCP Client啟動(dòng)后，首先初始化配置信息，若本機(jī)已有有效配置參數(shù)，則向Server發(fā)送一個(gè)確認(rèn)報(bào)文，確認(rèn)已有配置參數(shù)是否有效;若本機(jī)配置參數(shù)為空，則進(jìn)行Server請(qǐng)求和IP請(qǐng)求。

當(dāng)從Server獲得配置參數(shù)后，DHCP Client會(huì)檢測(cè)該配置參數(shù)的有效性。若有效則調(diào)用地址維護(hù)函數(shù)進(jìn)行下一步處理;若無效則向服務(wù)器發(fā)送拒絕請(qǐng)求，重新開始請(qǐng)求IP。

地址維護(hù)函數(shù)的功能是完成對(duì)客戶端地址綁定、更新租期、地址信息釋放等操作。在地址使用租約達(dá)到0.5個(gè)首選生命期時(shí)，向Server發(fā)送租期更新請(qǐng)求報(bào)文接收應(yīng)答報(bào)文以完成地址租期更新;達(dá)到0.8個(gè)首選生命期時(shí)，向Server發(fā)送地址重綁請(qǐng)求報(bào)文接收應(yīng)答報(bào)文完成地址重綁。當(dāng)租約超期或滿足地址釋放條件時(shí)，主動(dòng)請(qǐng)求釋放地址信息 (Local_family=AF_INET6)或不做任何操作(Local_family=AF_INET)。

圖7 DHCP Client流程圖

3.3 雙棧環(huán)境下DHCP Relay的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DHCP Relay模塊主要分為初始化、代理服務(wù)器設(shè)置和中繼報(bào)文處理3部分。

如圖8所示，當(dāng)DHCP Relay啟動(dòng)后首先會(huì)初始化中繼相關(guān)的變量，如UDP端口的設(shè)置、IP地址族的設(shè)置等。初始化結(jié)束后，開始設(shè)置代理服務(wù)器，若代理服務(wù)器列表為空，則使用廣播地址作為代理服務(wù)器地址(DHCPv6情況下使用FF02::1:2作為目標(biāo)地址)［2］。初始化和代理服務(wù)器設(shè)置結(jié)束后，DHCP Relay開始監(jiān)聽UDP端口，接收并處理中繼報(bào)文。

4 測(cè)試結(jié)果

用4臺(tái)裝有Windows XP的PC機(jī)作為客戶端，兩臺(tái)使用了上述DHCP協(xié)議軟件模塊的企業(yè)網(wǎng)關(guān)分別做中繼端和服務(wù)端。

兩臺(tái)安裝好IPv6協(xié)議的PC機(jī)作為DHCPv6客戶端連接到網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，兩臺(tái)客戶端均可以迅速分配到一個(gè)有效的IPv6地址/前綴，作為DHCP服務(wù)器和中繼器的企業(yè)網(wǎng)關(guān)都運(yùn)行正常。DHCPv6獲取IPv6地址過程如圖9所示。

兩臺(tái)未安裝IPv6協(xié)議的客戶端接入到網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，兩臺(tái)客戶端都可以有效獲取IPv4地址，作為DHCP服務(wù)器和中繼器的企業(yè)網(wǎng)關(guān)也都運(yùn)行正常。DHCP獲取IP地址過程如圖10所示。

圖10 DHCP獲取IP地址過程(截圖)

5 結(jié)束語

在雙棧環(huán)境下的DHCP功能，可有效地解決IPv4向IPv6過渡過程中客戶端所需要的IPv4/IPv6地址自動(dòng)分配功能。本文通過對(duì)IPv4，IPv6環(huán)境下的DHCP協(xié)議的深入研究，結(jié)合兩者的異同點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種適用于基于雙棧環(huán)境的企業(yè)網(wǎng)關(guān)的DHCP協(xié)議軟件，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用驗(yàn)證了該軟件模塊所具有良好的穩(wěn)定性和兼容性，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

［1］RFC2131，Dynamic host configuration protocol(DHCP)［S］.1997.

［2］RFC3315，Dynamic host configuration protocol for IPv6(DHCPv6)［S］.2003.

［3］GARY R，WRIGHT W，RICHARD S.TCP/IP 協(xié)議詳解:卷2［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.