【csp202104-3】DHCP服务器

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。

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 }
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