基于DHCP的虚拟主机应用研究

李晓佳，李 楠，刘 萍

（吉林师范大学 计算机学院，吉林 四平 136000）

0 引 言

随着云技术、虚拟化技术的快速发展，云平台的理念越来越深入高校教学和科研平台的建设中，云计算为用户提供了海量共享资源和软件，给教学和科研提供了优质的环境和服务，其网络化、虚拟化和集成化的优点，有效地解决了部署实验环境过程中硬件资源匮乏和因大量损耗导致维护成本上升的问题。在实验平台的构建中，除了利用虚拟化技术提高教学效率外，研究中还利用虚拟主机的特点和优势，节约硬件资源，提高实验室共享率和优化度。

1 虚拟化技术

虚拟化是在现有的硬件资源中剥离出具有相同硬件配置和完成软件操作的独立运行环境，但资源之间可以相互共享，主控平台能够将抽象化的资源进行整合，对数据进行统一管理及任务分配，子节点接收到主节点分配的任务后，继之以数据的运算及执行处理，各子节点资源相对独立，具有单独或共享的IP地址，主机资源之间互不影响。虚拟化技术的提出，可以提高计算机的资源执行效率和有效管理，将虚拟化技术应用于高校计算机实验教学管理中，将多操作系统、多门实验环境与系统服务资源池相融合，更能凸显虚拟化平台的灵活性，优化教学环境，减少对底层硬件系统的依赖，降低维护成本。

虚拟主机技术可以充分运用有限的硬件资源，将一个服务器的资源进行有效逻辑划分，使用户在相同的硬件环境支撑下，仍然可以满足多用户操作。虚拟主机的性能与服务器主机的硬件配置、虚拟主机的数量密切相关，因此需要在保证用户数量的前提条件下进一步平衡系统资源配置。

2 DHCP的工作原理

随着互联网技术的逐渐成熟，客户对网络规模和资源的扩充性要求逐步提升，使用DHCP服务器的优势是为了更加高效地管理和分配IP地址，降低静态IP地址分配的出错率，在集群环境的搭建和部署中，利用DHCP服务器动态地为子节点配置网络信息，包括IP地址、子网掩码、网关、DNS服务器地址，租约等参数，可以提高配置效率，保证子节点间网络畅通，避免IP地址冲突。在集群的部署过程中，由于子节点的数目较多，配置IP的工作量较大，可以利用DHCP服务器为提出申请的客户端自动分配IP地址，租约结束后自动收回，从而实现IP地址的有效再利用。DHCP的工作过程分为以下几个阶段：

（1）发现阶段。主机向全网络广播数据包，发送DHCP Discover报文，DHCP服务器、主机、主机、主机等安装TCP/IP协议的主机都能收到该请求，数据包的信息主要包括网卡的MAC地址和计算机名称等。在广播请求的过程中，只有DHCP服务器才可以做出响应。主机还不确定自己的网络归属，因此封包的源地址为0.0.0.0，目的地址为255.255.255.255。具体操作过程如图1所示。

图1 发现阶段Fig.1 Discovery stage

（2）提供阶段。在网络中接收到广播信息的DHCP服务器做出响应，在IP地址列表中选择尚未出租的IP地址拟分配给主机，DHCP Offer报文中包括MAC地址、网络配置信息、提供的IP地址及租期。这一过程中仍然通过广播的方式发送信息，网络中的客户机均能收到此消息。同时DHCP Server为此客户保留由其提供的IP地址，从而不会为其他DHCP客户分配此IP地址。具体操作过程如图2所示。

图2 提供阶段Fig.2 Providing stage

（3）选择阶段。主机可能会收到多台DHCP服务器的响应，一般会选择首先到达的信息，并向网络中广播所接收的DHCP服务器的相关信息，DHCP Request报文中包含客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器地址，其他的DHCP服务器将撤销由其所提供的IP地址信息。具体操作过程如图3所示。

图3 异常行为定位Fig.3 Location of abnormal behaviors

图3 选择阶段Fig.3 Selection stage

（4）确认阶段。当DHCP服务器接收到主机的请求之后，会返回主机确认信息DHCP ACK报文，用广播通讯的方式将IP地址及其配置信息发送给主机。主机接收到确认信息后，首先查询IP地址是否冲突，如果冲突，则拒绝该IP地址并重新广播。如果网络中没有使用该IP地址，则可以完成IP地址初始化，将IP地址信息与主机的网卡绑定。具体操作过程如图4所示。

图4 确认阶段Fig.4 Confirmation stage

（5）客户机租期续约。DHCP客户机申请的IP资源不是长久有效的，超出有效的租约期后，客户机若还想继续使用该IP需向DHCP服务器再次发送请求。客户机会在租约结束之前向DHCP Server发送消息包，接收到响应后，客户机根据消息包中的相关配置参数完成更新配置，可以继续使用原IP地址。如果没收到响应，在租约快结束时再次申请。若一直没有续约成功，则租约有效期过后，客户机必须放弃这个IP地址，重新申请新的IP资源。具体操作过程如图5所示。

图5 租期续约Fig.5 Lease renewal

3 MAC地址的绑定

由于DHCP服务器分配地址存在不固定性，并且多个节点在分配IP的过程中，容易出现设置重复，集群之外的其他节点可能盗用分配好的IP地址，都会导致地址资源的分配和使用上出现混乱。为了解决上述问题，在集群的部署过程中，考虑将IP地址与网卡的MAC地址进行绑定，在地址资源的配置过程中，即使出现IP设置错误或者重复的问题，也会因MAC地址不匹配而设置失败，因MAC地址具有唯一性，通过IP地址与MAC地址的绑定，也可以回溯集群中具有重复地址资源的计算机名等信息，保证网络使用的高效性和畅通性。

IP地址是使用在网络层及以上层的地址，注重逻辑标识，设置相对自由，在同一网络中具有唯一性。MAC地址是数据链路层和物理层使用的地址，烧录于网卡的EPROM，是基于硬件的标识，一般不做修改。在通信链路层中，数据帧的交换一般通过交换机或其他2层设备，需要用到主机间的MAC地址，但主机网卡配置的是IP地址，此时就需要借助ARP协议，可用于将IP地址转化为网络接口的硬件地址，以此保障进行通信。主机依靠IP地址与MAC地址的对应关系封装数据帧，对IP地址进行解析后，则检查ARP表中得到IP地址与MAC地址的绑定关系，2层设备在收到含有目标MAC地址的数据帧后，与表中的MAC地址进行比较，相符则将数据转发，不相符则丢弃。

4 批量部署虚拟主机节点

（1）批量创建虚拟主机节点的配置代码。研发得到的配置代码整体如下。

（2）批量设置虚拟主机节点IP的配置代码。研发得到的配置代码整体如下。

5 结束语

在有限资金投入的前提下，为了搭建更优质的教学和科研平台，引入虚拟主机技术是十分必要的。虚拟技术的应用，不仅可以促进实验教学方法的创新，全面提升教学效果，还可以构建虚拟仿真实验环境，模拟更多的实验教学和网络环境场景，降低实验和维护成本，充分整合高校计算机资源，满足多学科和交叉学科的实验教学要求，使虚拟平台发挥更大的作用。