基于CPT的DHCP實驗設計研究

張璐璐，吳麗杰，魯 玉

(安徽糧食工程職業學院，安徽合肥 230011)

1 DHCP簡介

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議)，是基于TCP/IP協議簇的一種動態地址分配方案，是一個局域網的網絡協議。它使用UDP協議工作，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。當連接到網絡上的計算機啟動時，DHCP能自動地為這臺計算機配置有關的網絡參數，如IP地址、子網掩碼、網關和DNS等。這樣，可把所有TCP/IP協議的配置信息集中存儲到DHCP服務器上。集中的存儲和管理能夠避免IP地址的沖突，同時把管理員從繁重的手工配置勞動中解放出來。網絡的規模越大，DHCP的優勢就越明顯。DHCP通常被應用于大型的局域網絡環境中，采用C/S模型。當DHCP服務器接收到來自網絡主機申請地址的請求信息時，才會向網絡主機發送相關的地址配置信息[1]。

DHCP的工作過程分為4個階段，如圖1所示。

圖1 單服務器DHCP工作過程流程圖

第一階段DHCP Discover，即DHCP Client尋找DHCP Server的階段。客戶機以廣播方式發送DHCP Discover發現信息來尋找服務器。網絡中每一臺主機都會接收到這種廣播信息，但只有服務器才會作出響應；第二階段DHCP Offer，即DHCP Server提供地址信息的階段。網絡中DHCP Server接收到DHCP Discover發現信息會作出響應：它從未租用的地址中挑選一個分配給DHCP Client，并向DHCP Client發送包含出租地址和其他設置的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DHCP Server向DHCP Client發來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，從而能準確地被DHCP Server接受并回應；DHCP Ack，即DHCP Server向DHCP Client發送確認信息的階段。當DHCP Server收到DHCP Client的DHCP Request請求信息之后，它便向DHCP Client發送DHCP Ack確認信息，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地址與網卡綁定，完成IP相關信息的租借過程。多服務器的DHCP工作過程如圖2所示。

圖2 多服務器的DHCP工作過程

2 CPT簡介

思科包跟蹤程序(Cisco Packet Tracer)屬于思科公司的內部軟件,它是一種能模擬網絡環境從而幫助網絡技術學習的模擬工具。針對網絡技術的各個知識點，該軟件不僅能模擬網絡環境設計網絡,還能配置網絡設備，從而還原各種網絡協議,更能依據網絡設備的通訊情況來排除網絡故障等，從而使得學習者得到實戰級的鍛煉。使用該軟件可以學習IOS的多種配置、鍛煉網絡故障排查能力。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絡設備即可建立網絡拓撲，且有實時和模擬兩種狀態，可提供靜態或動態的數據包在網絡中行進的詳細過程，從而能觀測網絡實時運行情況。CPT作為網絡仿真程序其功能強大，不僅有多種允許使用的網絡設備，還可以幾乎無限數量地創建網絡，從而能鼓勵、實踐、發現和排除網絡故障[2]。CPT允許模擬實驗與網絡行為，測試有多種可能性方案的問題，并要通過逐漸深入的學習網絡技術，CPT提供的仿真、可視化、編輯、評估和協作的能力則更為重要，有利于對復雜的技術概念的理解和驗證。

3 實驗的設計及實現

本實驗以華辰企業實際網絡管理需求為背景，以雙DHCP服務器的方式實現企業內部基本的網絡信息的自動分配。實驗以3臺主機、2臺對等服務器簡單模擬企業環境，實現DHCP服務，完成3臺主機的IP等信息的自動獲取，并保證網絡的穩定，繼而滿足企業內某一部門網絡管理的需求。

3.1 實驗介紹

通過思科仿真軟件CPT，只需要一臺計算機便可模擬出實驗所需要的環境和設備。需要模擬出：兩臺服務器Cisco Server，充當DHCP Server；一臺交換機Cisco2950，組建局域網；三臺PC，作為測試終端DHCP Client1-3。圖3為此次實驗環境的拓撲示意。

圖3 多服務器的DHCP實現

該實驗的IP均在192.168.1.0/24網段內，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服務配置頁面如圖4所示。

圖4 DHCP Server中服務配置

對于DHCP Client1-3只需要在桌面系統的IP地址配置中選擇自動獲取即可自動獲取IP地址等信息。當DHCP Server1掉線或有誤時，DHCP Server2亦可完成IP地址信息的自動分配，確保了網絡的穩定性。

刪除DHCP Server1在網絡中的連線，模擬DHCP Server1故障中斷。原來已經從DHCP Server1中獲取地址信息的DHCP Client，在DHCP租約時間到期50%前不會改變，之后DHCP Client便會向為DHCP Server1發送更新請求，如果更新失敗，暫時不采取任何措施。在當前租約期限過去87.5%時，客戶機再次嘗試更新，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在網絡中的連線后，DHCP Server2單獨服務，DHCP Client1的信息自動獲取情況。

圖5 單個服務器下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服務配置在實際網絡環境中應完全相同，實驗中地址池及DNS服務器配置不同是為了方便客戶端驗證使用了哪個DHCP Server；為了避免IP沖突，應把DHCP Server以及網關的IP地址從地址池中排除，但DHCP Server有檢測機制，可以排除已使用的IP地址。

圖6 路由器作DHCP Server

3.2 實驗改進

在實際的網絡運維中，情況更為復雜。例如，自動分配的IP地址序列往往不能連續，需要剔除特殊的IP地址，網絡拓撲示例如圖6所示。網絡劃分為多個網段，DHCP需要跨網段提供服務，即DHCP Relay，網絡拓撲如圖7所示。這些或者更為復雜的情況下，DHCP服務往往是由路由器或三層交換機來提供。

3.2.1 路由器提供DHCP服務

華辰企業某部門內部使用Cisco 2811作為IOS DHCP Server，它和內網相連的fastethernet0端口的IP地址為172.25.1.1/24，二層交換機采用Cisco 2950。如圖6所示，連接各個網絡設備與計算機設備，配置設備及端口的地址和默認網關，并將測試主機設置為IP配置自動獲取。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

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命令來定義網絡地址的范圍

Router1(config)#default-router 172.25.1.1 //定義要分配的網關地址

Router1(config)#exit

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

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

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

IP address Client-ID/ Lease expiration Type

Hardware address

172.25.1.51 0060.70D8.2667 --

在實驗中可能出現DHCP Client從 DHCP Server動態獲取的地址信息與其他主機地址相沖突的現象。這多是因為在網絡上有主機手動配置了IP地址。具體修正方法為：斷開故障DHCP Client的網線，在另一臺客戶機上執行ping命令，并設置較長的超時時間，用以檢測網絡中是否存在該地址信息的主機；在DHCP Server上執行ip dhcp excluded-address命令，禁止該地址參與動態分配；連接好故障DHCP Client的網線，將故障DHCP Client釋放并重新獲取IP地址。DHCP Client分別執行ipconfig/release和ipconfig/renew命令即可。

3.2.2 DHCP中繼服務

由DHCP工作過程可知，DHCP Discover、DHCP Offer等各類報文信息均采用廣播的方式發送。所以一般DHCP服務，即動態IP地址的分配只適用于DHCP Server和DHCP Client均處于同一個子網。如果網絡環境中有多個子網的存在，僅為了動態主機配置，就需要在每個網段上均設置DHCP Server，這將會造成極大的資源浪費。DHCP中繼能很好地解決這一問題：DHCP Client通過DHCP Relay與各個網段的DHCP Server進行通信，最終獲取地址信息[4]。如是，多個子網的DHCP Client可使用同一DHCP Server，既節省成本，又便于集中管理。DHCP Relay的原理：當DHCP服務需要跨越不同網絡時，使用DHCP Relay可實現DHCP Client從不同網段的DHCP Server獲取IP地址。DHCP Relay在接收到DHCP Client發出的廣播DHCP消息后，會重新生成一個單播DHCP消息并直接轉發至遠程網段的DHCP Server處。

華辰公司需要配置DHCP Server使內網中多個網段的主機能主動獲取IP地址等信息，要求把路由器配置為DHCP Server，并使用三層交換機來實現DHCP Relay功能。如圖7所示，DHCP Server采用Cisco 2620xm，DHCP中繼采用Cisco 3560，接入層交換機采用Cisco 2950。兩臺服務器主機分別提供DNS及FTP服務，PCA和PCB是用來測試各種服務的客戶端。

圖7 路由器實現DHCP Relay

如圖7所示，連接各個網絡設備與計算機設備，配置設備及端口的地址和默認網關，并將測試主機設置為IP配置自動獲取；在三層交換機L3-Switch和二層交換機SWA上分別劃分VLAN10和VLAN20兩個VLAN；在交換機之間建立TRUNK鏈路，使兩設備VLAN10和VLAN20間可以互通；把兩設備中對應的端口分別加入到VLAN10和VLAN20中[5]；在路由器DCHP-Server上設置靜態路由，配置各網段的下一跳路由，在DHCP Relay(L3-Switch)上設置靜態路由，配置各網段的下一跳路由；在DCHP-Server上配置DHCP服務，參數分配如下：名稱VLAN10-DHCP，動態地址172.16.10.0網段，租期3小時，網關172.16.10.254，DNS 8.8.8.8；名稱VLAN20-DHCP，動態地址172.16.20.0網段，租期5小時，網關172.16.20.254，DNS 8.8.8.8。最后啟用DHCP Relay(L3-Switch)的DHCP服務，指定DHCP服務器的地址；在DHCP Client(PCA與PCB)上測試DCHP的服務，在DHCP-Serve上查看地址綁定信息。其中各主要設備的配置命令如下：

(1)路由器DCHP-Server的主配命令

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

DHCP-Server(config)#ip dhcp pool VLAN10-DHCP //創建一個名為VLAN10-DHCP的DHCP地址池

DHCP-Server(dhcp-config)#network 172.16.10.0 255.255.255.0 //指定VLAN10-DHCP地址池的網絡號和掩碼

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

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

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

DHCP-Server(dhcp-config)#exit

DHCP-Server(config)#

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

DHCP-Server(config)#ip dhcp pool VLAN20-DHCP //創建一個名為VLAN20-DHCP的DHCP地址池

DHCP-Server(dhcp-config)#network 172.16.20.0 255.255.255.0 //指定VLAN20-DHCP地址池的網絡號和掩碼

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

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

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

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DCHP中繼的主配命令

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

L3-Switch(config)#ip help-address 10.1.1.1 //指定DHCP Server的地址，表示會向該服務器發送DHCP請求包

該實驗的自動分配結果可在路由器DHCP-Server上進行查看：

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

實驗配置的注意事項：DCHP Server配置時，應設置網關和DNS，這樣可以保證正常訪問外網，還應排除固定地址，以防止IP沖突引起網絡的不穩定；配置完成后應先在PCA與PCB上測試DCHP的服務，然后才能在DCHP Server中查看到綁定的信息。

實驗中可能出現客戶端無法通過DHCP Relay獲得地址信息的現象。這多是因為DHCP 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；檢查DHCP Server是否已經配置了對應于DHCP Client所在網段的地址池；檢查DHCP Relay和DHCP Server是否已經配置有相互可達的路由；檢查DHCP Relay是否在接口(連接DHCP Client所在網段)上配置有正確的DHCP Server。

4 結語

在實際情況中，網絡管理較多使用WINDOWS或LINUX平臺搭建DHCP服務器，但是在WINDOWS或LINUX平臺上搭建DHCP服務器會涉及服務集群、數據同步等較為復雜的系統問題，還會涉及服務器型號兼容、硬件配置等環境問題。由于在網絡中Cisco設備有較為普遍的使用，采用Cisco IOS配置DHCP Server提供DHCP服務，無需以上問題的困擾，且配置簡單,冗余原理、中繼原理清晰，具有更高的穩定性。本文通過思科軟件CPT模擬了DHCP服務在不同環境中的多個實驗，充分展示了DHCP服務的原理及配置方式。為了更加貼合無線網絡遍及的現實環境，后續還可以考慮采用無線路由和無線AP來提供DHCP服務。

[參考文獻]

[1]Mark A Dye.思科網絡學院教程CCNA Exploration:網絡基礎知識[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[2]薛琴.基于Packet Tracer的計算機網絡仿真實驗教學[J].實驗室研究與探索,2010(2):57-59.

[3]楊功元.Packet Tracer使用指南及實驗實訓教程[M].北京:電子工業出版社,2012.

[4]劉曉輝.網絡設備規劃、配置與管理大全[M].北京:電子工業出版社,2009.

[5]張璐璐,吳月勤,張婷.基于稀疏表示的圖像復原問題模型研究[J].長春師范大學學報,2017(2):17-22.

[6]謝希仁.計算機網絡[M].北京:電子工業出版社,2013.