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【csp202104-3】DHCP服务器

开发技术 开发技术 6小时前 2次浏览

DHCP服务器

题目背景

动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)是一种自动为网络客户端分配 IP 地址的网络协议。当支持该协议的计算机刚刚接入网络时,它可以启动一个 DHCP 客户端程序。后者可以通过一定的网络报文交互,从 DHCP 服务器上获得 IP 地址等网络配置参数,从而能够在用户不干预的情况下,自动完成对计算机的网络设置,方便用户连接网络。DHCP 协议的工作过程如下:

  1. 当 DHCP 协议启动的时候,DHCP 客户端向网络中广播发送 Discover 报文,请求 IP 地址配置;
  2. 当 DHCP 服务器收到 Discover 报文时,DHCP 服务器根据报文中的参数选择一个尚未分配的 IP 地址,分配给该客户端。DHCP 服务器用 Offer 报文将这个信息传达给客户端;
  3. 客户端收集收到的 Offer 报文。由于网络中可能存在多于一个 DHCP 服务器,因此客户端可能收集到多个 Offer 报文。客户端从这些报文中选择一个,并向网络中广播 Request 报文,表示选择这个 DHCP 服务器发送的配置;
  4. DHCP 服务器收到 Request 报文后,首先判断该客户端是否选择本服务器分配的地址:如果不是,则在本服务器上解除对那个 IP 地址的占用;否则则再次确认分配的地址有效,并向客户端发送 Ack 报文,表示确认配置有效,Ack 报文中包括配置的有效时间。如果 DHCP 发现分配的地址无效,则返回 Nak 报文;
  5. 客户端收到 Ack 报文后,确认服务器分配的地址有效,即确认服务器分配的地址未被其它客户端占用,则完成网络配置,同时记录配置的有效时间,出于简化的目的,我们不考虑被占用的情况。若客户端收到 Nak 报文,则从步骤 1 重新开始;
  6. 客户端在到达配置的有效时间前,再次向 DHCP 服务器发送 Request 报文,表示希望延长 IP 地址的有效期。DHCP 服务器按照步骤 4 确定是否延长,客户端按照步骤 5 处理后续的配置;

在本题目中,你需要理解 DHCP 协议的工作过程,并按照题目的要求实现一个简单的 DHCP 服务器。

问题描述

报文格式

为了便于实现,我们简化地规定 DHCP 数据报文的格式如下:

<发送主机> <接收主机> <报文类型> <IP 地址> <过期时刻>

DHCP 数据报文的各个部分由空格分隔,其各个部分的定义如下:

  • 发送主机:是发送报文的主机名,主机名是由小写字母、数字组成的字符串,唯一地表示了一个主机;
  • 接收主机:当有特定的接收主机时,是接收报文的主机名;当没有特定的接收主机时,为一个星号(*);
  • 报文类型:是三个大写字母,取值如下:
    • DIS:表示 Discover 报文;
    • OFR:表示 Offer 报文;
    • REQ:表示 Request 报文;
    • ACK:表示 Ack 报文;
    • NAK:表示 Nak 报文;
  • IP 地址,是一个非负整数:
    • 对于 Discover 报文,该部分在发送的时候为 0,在接收的时候忽略;
    • 对于其它报文,为正整数,表示一个 IP 地址;
  • 过期时刻,是一个非负整数:
    • 对于 Offer、Ack 报文,是一个正整数,表示服务器授予客户端的 IP 地址的过期时刻;
    • 对于 Discover、Request 报文,若为正整数,表示客户端期望服务器授予的过期时刻;
    • 对于其它报文,该部分在发送的时候为 0,在接收的时候忽略。

例如下列都是合法的 DHCP 数据报文:

a * DIS 0 0
d a ACK 50 1000

服务器配置

为了 DHCP 服务器能够正确分配 IP 地址,DHCP 需要接受如下配置:

  • 地址池大小 N:表示能够分配给客户端的 IP 地址的数目,且能分配的 IP 地址是 1,2,…,N;
  • 默认过期时间 Tdef:表示分配给客户端的 IP 地址的默认的过期时间长度;
  • 过期时间的上限和下限 Tmax、Tmin:表示分配给客户端的 IP 地址的最长过期时间长度和最短过期时间长度,客户端不能请求比这个更长或更短的过期时间;
  • 本机名称 H:表示运行 DHCP 服务器的主机名。

分配策略

当客户端请求 IP 地址时,首先检查此前是否给该客户端分配过 IP 地址,且该 IP 地址在此后没有被分配给其它客户端。如果是这样的情况,则直接将 IP 地址分配给它,否则,
总是分配给它最小的尚未占用过的那个 IP 地址。如果这样的地址不存在,则分配给它最小的此时未被占用的那个 IP 地址。如果这样的地址也不存在,说明地址池已经分配完毕,因此拒绝分配地址。

实现细节

在 DHCP 启动时,首先初始化 IP 地址池,将所有地址设置状态为未分配,占用者为空,并清零过期时刻。
其中地址的状态有未分配、待分配、占用、过期四种。
处于未分配状态的 IP 地址没有占用者,而其余三种状态的 IP 地址均有一名占用者。
处于待分配和占用状态的 IP 地址拥有一个大于零的过期时刻。在到达该过期时刻时,若该地址的状态是待分配,则该地址的状态会自动变为未分配,且占用者清空,过期时刻清零;否则该地址的状态会由占用自动变为过期,且过期时刻清零。处于未分配和过期状态的 IP 地址过期时刻为零,即没有过期时刻。

对于收到的报文,设其收到的时刻为 t。处理细节如下:

  1. 判断接收主机是否为本机,或者为 *,若不是,则判断类型是否为 Request,若不是,则不处理;
  2. 若类型不是 Discover、Request 之一,则不处理;
  3. 若接收主机为 *,但类型不是 Discover,或接收主机是本机,但类型是 Discover,则不处理。

对于 Discover 报文,按照下述方法处理:

  1. 检查是否有占用者为发送主机的 IP 地址:
    • 若有,则选取该 IP 地址;
    • 若没有,则选取最小的状态为未分配的 IP 地址;
    • 若没有,则选取最小的状态为过期的 IP 地址;
    • 若没有,则不处理该报文,处理结束;
  2. 将该 IP 地址状态设置为待分配,占用者设置为发送主机;
  3. 若报文中过期时刻为 0 ,则设置过期时刻为 t+Tdef;否则根据报文中的过期时刻和收到报文的时刻计算过期时间,判断是否超过上下限:若没有超过,则设置过期时刻为报文中的过期时刻;否则则根据超限情况设置为允许的最早或最晚的过期时刻;
  4. 向发送主机发送 Offer 报文,其中,IP 地址为选定的 IP 地址,过期时刻为所设定的过期时刻。

对于 Request 报文,按照下述方法处理:

  1. 检查接收主机是否为本机:
    • 若不是,则找到占用者为发送主机的所有 IP 地址,对于其中状态为待分配的,将其状态设置为未分配,并清空其占用者,清零其过期时刻,处理结束;
  2. 检查报文中的 IP 地址是否在地址池内,且其占用者为发送主机,若不是,则向发送主机发送 Nak 报文,处理结束;
  3. 无论该 IP 地址的状态为何,将该 IP 地址的状态设置为占用;
  4. 与 Discover 报文相同的方法,设置 IP 地址的过期时刻;
  5. 向发送主机发送 Ack 报文。

上述处理过程中,地址池中地址的状态的变化可以概括为如下图所示的状态转移图。为了简洁,该图中没有涵盖需要回复 Nak 报文的情况。

【csp202104-3】DHCP服务器

输入格式

输入的第一行包含用空格分隔的四个正整数和一个字符串,分别是:N、Tdef、Tmax、Tmin 和 H,保证 Tmin≤Tdef≤Tmax

输入的第二行是一个正整数 n,表示收到了 n 个报文。

输入接下来有 n 行,第 (i+2) 行有空格分隔的正整数 ti 和约定格式的报文 Pi。表示收到的第 i 个报文是在 ti 时刻收到的,报文内容是 Pi。保证 ti<ti+1

输出格式

输出有若干行,每行是一个约定格式的报文。依次输出 DHCP 服务器发送的报文。

样例1输入

4 5 10 5 dhcp
16

1 a * DIS 0 0

2 a dhcp REQ 1 0

3 b a DIS 0 0

4 b * DIS 3 0

5 b * REQ 2 12

6 b dhcp REQ 2 12

7 c * DIS 0 11

8 c dhcp REQ 3 11

9 d * DIS 0 0

10 d dhcp REQ 4 20

11 a dhcp REQ 1 20

12 c dhcp REQ 3 20

13 e * DIS 0 0

14 e dhcp REQ 2 0

15 b dhcp REQ 2 25

16 b * DIS 0 0

样例1输出

dhcp a OFR 1 6

dhcp a ACK 1 7

dhcp b OFR 2 9

dhcp b ACK 2 12

dhcp c OFR 3 12

dhcp c ACK 3 13

dhcp d OFR 4 14

dhcp d ACK 4 20

dhcp a ACK 1 20

dhcp c ACK 3 20

dhcp e OFR 2 18

dhcp e ACK 2 19

dhcp b NAK 2 0

样例1说明

输入第一行,分别设置了 DHCP 的相关参数,并收到了 16 个报文。

第 1 个报文和第 2 个报文是客户端 a 正常请求地址,服务器为其分配了地址 1,相应地设置了过期时刻是 7(即当前时刻 2 加上默认过期时间 5)。

第 3 个报文不符合 Discover 报文的要求,不做任何处理。

第 4 个报文 b 发送的 Discover 报文虽然有 IP 地址 3,但是按照处理规则,这个字段被忽略,因此服务器返回 Offer 报文,过期时刻是 9。

第 5 个报文中,Request 报文不符合接收主机是 DHCP 服务器本机的要求,因此不做任何处理。

第 6 个报文是 b 发送的 Request 报文,其中设置了过期时刻是 12,没有超过最长过期时间,因此返回的 Ack 报文中过期时刻也是 12。

第 7 个报文中,过期时刻 11 小于最短过期时间,因此返回的过期时刻是 12。虽然此时为 a 分配的地址 1 过期,但是由于还有状态为未分配的地址 3,因此为 c 分配地址 3。第 8 个报文同理,为 c 分配的地址过期时刻是 13。

第 9、10 两个报文中,为 d 分配了地址 4,过期时刻是 20。

第 11 个报文中,a 请求重新获取此前为其分配的地址 1,虽然为其分配的地址过期,但是由于尚未分配给其它客户端,因此 DHCP 服务器可以直接为其重新分配该地址,并重新设置过期时刻为 20。

第 12 个报文中,c 请求延长其地址的过期时刻为 20。DHCP 正常向其回复 Ack 报文。

第 13、14 个报文中,e 试图请求地址。此时地址池中已经没有处于“未分配”状态的地址了,但是有此前分配给 b 的地址 2 的状态是“过期”,因此把该地址重新分配给 e

第 15 个报文中,b 试图重新获取此前为其分配的地址 2,但是此时该地址已经被分配给 e,因此返回 Nak 报文。

第 16 个报文中,b 试图重新请求分配一个 IP 地址,但是此时地址池中已经没有可用的地址了,因此忽略该请求。

样例2输入

4 70 100 50 dhcp
6

5 a * OFR 2 100

10 b * DIS 0 70

15 b dhcp2 REQ 4 60

20 c * DIS 0 70

70 d * DIS 0 120

75 d dhcp REQ 1 125

样例2输出

dhcp b OFR 1 70

dhcp c OFR 1 70

dhcp d OFR 1 120

dhcp d ACK 1 125

样例2说明

在本样例中,DHCP 服务器一共收到了 6 个报文,处理情况如下:

第 1 个报文不是 DHCP 服务器需要处理的报文,因此不回复任何报文。

第 2 个报文中,b 请求分配 IP 地址,因此 DHCP 服务器将地址 1 分配给 b,此时,地址 1 进入待分配状态,DHCP 服务器向 b 发送 Offer 报文。

第 3 个报文中,b 发送的 REQ 报文是发给非本服务器的,因此需要将地址池中所有拥有者是 b 的待分配状态的地址修改为未分配。

第 4 个报文中,c 请求分配 IP 地址。由于地址 1 此时是未分配状态,因此将该地址分配给它,向它发送 Offer 报文,地址 1 进入待分配状态。

第 5、6 个报文中,d 请求分配 IP 地址。注意到在收到第 5 个报文时,已经是时刻 70,地址 1 的过期时刻已到,它的状态已经被修改为了未分配,因此 DHCP 服务器仍然将地址 1 分配给 d

数据范围

对于 20% 的数据,有 N≤200,且 n≤N,且输入仅含 Discover 报文,且 t<Tmin;

对于 50% 的数据,有 N≤200,且 n≤N,且 t<Tmin,且报文的接收主机或为本机,或为 *

对于 70% 的数据,有 N≤1000,且 n≤N,且报文的接收主机或为本机,或为 *

对于 100% 的数据,有 N≤10000,且 n≤10000,主机名的长度不超过 20,且 t,Tmin,Tdefault,Tmax≤109,输入的报文格式符合题目要求,且数字不超过 109

题解

比较复杂的纯模拟题

按照题目的要求模拟就好了

核心部分就是实现细节那一段,结合前面的描述看懂之后对着要求一个一个模拟

输入数据的时间不是连续的,所以IP地址的状态也不用每秒更新一次,每次读入一条报文的时候更新就可以了

 

  1 #include <iostream>
  2 #include <cstring>
  3 #include <cstdio>
  4 #include <string>
  5 using namespace std;
  6 int N,Tdef,Tmax,Tmin,n,t,id,ed;
  7 string H,a,b,op;
  8 struct node{
  9     string uer;  //  占用者 
 10     int ed,sta;  //  过期时间,状态
 11     //  0 未分配  1 待分配   2 占用   3 过期  
 12 }IP[10005];
 13 int find(string s)  //  查找占用者为 s 的 IP 地址 
 14 {
 15     int i;
 16     for (i=1;i<=N && IP[i].uer!=s;i++);
 17     return i<=N?i:0;  //  若 i>N,说明没找到,返回0 
 18 }
 19 int find0()  //  查找最小的状态为未分配的 IP 地址 
 20 {
 21     int i;
 22     for (i=1;i<=N && IP[i].sta;i++);
 23     return i<=N?i:0;
 24 }
 25 int find3()  //  查找最小的状态为过期的 IP 地址 
 26 {
 27     int i;
 28     for (i=1;i<=N && IP[i].sta!=3;i++);
 29     return i<=N?i:0;
 30 }
 31 void UpdateState()  //  更新所有 IP 地址的状态 
 32 {
 33     for (int i=1;i<=N;i++)
 34     {
 35         if (IP[i].ed<=t)  //  当前时间超过过期时间 
 36         {
 37             if (IP[i].sta==1) 
 38               IP[i].sta=0,
 39               IP[i].uer="",
 40               IP[i].ed=0;
 41             else if (IP[i].sta==2)
 42               IP[i].sta=3,
 43               IP[i].ed=0;
 44         }
 45     }
 46     return;
 47 }
 48 int main()
 49 {
 50     int i,j,p;
 51     cin>>N>>Tdef>>Tmax>>Tmin>>H;
 52     scanf("%d",&n);
 53     while (n--)
 54     {
 55         scanf("%d",&t);
 56         UpdateState();
 57         cin>>a>>b>>op>>id>>ed;
 58         if (b!=H && b!="*" && op!="REQ") continue;
 59         if (op!="DIS" && op!="REQ") continue;
 60         if ((b=="*" && op!="DIS") || (b==H && op=="DIS")) continue;
 61         if (op=="DIS")
 62         {
 63             p=find(a);
 64             if (!p) p=find0();
 65             if (!p) p=find3();
 66             if (!p) continue;
 67             IP[p].sta=1;  IP[p].uer=a;
 68             if (!ed) ed=t+Tdef;
 69             else if (ed>t+Tmax) ed=t+Tmax;
 70             else if (ed<t+Tmin) ed=t+Tmin;
 71             IP[p].ed=ed;
 72             cout<<H<<" "<<a<<" OFR "<<p<<" "<<ed<<endl;
 73         }
 74         else if (op=="REQ")
 75         {
 76             if (b!=H)
 77             {
 78                 for (i=1;i<=N;i++)
 79                 {
 80                     if (IP[i].uer==a && IP[i].sta==1)
 81                     {
 82                         IP[i].sta=0;
 83                         IP[i].uer="";
 84                         IP[i].ed=0;
 85                     }
 86                 }    
 87                 continue;
 88             }
 89             if (id<1 || id>N || IP[id].uer!=a)
 90             {
 91                 cout<<H<<" "<<a<<" NAK "<<id<<" 0"<<endl;
 92                 continue;
 93             }
 94             IP[id].sta=2;
 95             if (!ed) ed=t+Tdef;
 96             else if (ed>t+Tmax) ed=t+Tmax;
 97             else if (ed<t+Tmin) ed=t+Tmin;
 98             IP[id].ed=ed;
 99             cout<<H<<" "<<a<<" ACK "<<id<<" "<<ed<<endl;
100         }
101     } 
102     return 0;
103 }

 


程序员灯塔
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