儿童白癜风发病原因校园中由地址配置引起络故障原因的探索
摘要：伴随的计算机计算机技术的快速发展，计算机络已经成为高校校园一个不可缺少的组成部分。但是随着络规模的不断扩展，络管理人员所面临的终端管理的复杂度也越来越大。本文从实际出发，以实践中出现的问题故障，结合DHCP、Gratuitous ARP、交换机ARP缓存相关知识进行详细分析，提出了交换络中根据故障紧急及优先次序分类处理的方法，并针对目前IP地址配置和管理上容易出的问题，提出了一些建议。
中国论文
关键词：Gratuitous ARP；DHCP；IP冲突；络故障；交换络；
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
1. 引言
伴随计算机技术的迅猛发展，计算机络已经在校园快速普及，成为高校中重要的信息发布交换平台。络在高校的教学、科研、管理等方面发挥着重要的作用，是现代高校中一个不可或缺的重要组成部分。但是，随着校园络规模的迅速扩张，校园的管理维护日趋复杂和困难，尤其在计算机选择解决终端IP地址的配置方面引起故障的解决方案时的通常会出现难以取舍问题，更使得管理人员力不从心，如何从根本上解决这一问题，络管理人员应从基本理论上去分析实际问题，才能从根本上得出IP配置和管理上问题的最优方案。
2. IP地址配置和管理上存在的问题
在校园络整体设计时，通常只会设计用户使用IP地址的范围，不针对用户的计算机终端类型进行特别设定。通常提供给用户的获取IP地址方式为DHCP动态获取，用户只要将计算机卡设置为自动获取，就可以获得IP成功连接到络中。而在实际情况中，一些例如外屏显示器、单片机、无线AP等络设备需要手动设置地址，这经常引起IP冲突，严重时会引起络瘫痪。
下面以扬州某高校校园络日常维护中遇到特殊问题为案例进行分析，该校络结构为大二层扁平化的交换络，DNS和DHCP服务都集成在核心交换机上。
案例1：多媒体教室安装一块LED电子横幅，使用单片机编程控制，络接口为常用的RJ45适配器，手动配置IP地址，MAC地址可以在软件操作界面自行更换。首次配置地址后，正常连通络。但是保持原有IP地址不变，操作“更新MAC地址”后，络无法连接，等待300秒后，恢复正常。
案例2：校园络用户报修称络使用一段时间后，络延时较大，甚至出现掉线现象。经实地检测，用户使用的是DHCP自动获取的IP地址，使用30分钟后出现Ping值变大，甚至出现超时现象，由此出现络丢包断线现象，几分钟后恢复正常。
上述两个案例中：案例1是用户使用手动配置IP引发的络故障，案例2是交换络中用户使用DHCP自动获取地址情况下出现的故障。仔细分析这两个故障发生时的现象，大致可以从核心交换机的DHCP、ARP以及ARP缓存等方面入手查找故障原因。
3. DHCP、Gratuitous ARP、交换机ARP缓存相关知识
3.1 DHCP服务
DHCP是一种简化了的主机IP地址分配管理的TCP/IP标准协议，其利用UDP协议工作。络管理员可利用DHCP服务器来管理动态的IP地址分配及其相关的环境配置工作。动态的IP分配避免了手工设置IP地址及子掩码所产生的错误，即避免了同一个IP地址分配给多台计算机形成的地址冲突，减少配置络中计算机所花费的时间和管理IP地址设置的负担，还可以灵活地设置地址租期，节省了IP资源，提高了工作效率。
DHCP协议的主要工作原理为：当没有任何配置的DHCP客户端接入络时，会向络广播一个DHCPDISCOVER数据包，其源地址为0.0.0.0，目的地址为255.255.255.255，然后再附上DHCP discover的信息。当DHCP服务器监听到客户端发出的DHCP discover广播数据包后，它会从那些还没有租出的地址范围内，选择最前面的闲置IP，连同其它TCP/IP设定，给客户端发送一个DHCP offer的数据包，客户端在开始的时候还没有IP地址，所以在其DHCP discover封包内会带有其MAC地址信息。假如络上有多台DHCP服务器的响应客户端，那么客户端只会挑选其中一个DHCP offer而已（通常是最先抵达的那个），并且会向络发送一个DHCP request广播封包，告诉所有DHCP服务器它将指定接受哪一台服务器提供的IP地址。
3.2 Gratuitous ARP
Gratuitous ARP一般也称为免费ARP。它与一般的APR请求不一样，主要区别在于它不要求得到IP对应的MAC地址，而是当主机启动或者更换卡（或更换MAC地址）的时候，将发送一个Gratuitous ARP广播，宣告自己的IP地址对应的MAC地址。
Gratuitous ARP有两种作用：第一，确定设置的IP地址在局域中是否已经被占用，主机启动后广播Gratuitous ARP，若得到回应，那么就可以确定设定的IP已经被占用，否则就可以继续使用设定的IP。第二，如果发送Gratuitous ARP的主机正好改变了硬件地址（更换MAC地址或者卡适配器），发送的Gratuitous ARP广播包就可以使其他主机高速缓存中旧的硬件地址进行相应的更新。
3.3 ARP高速缓存
ARP高速缓存（ARP cache），由最近的ARP项组成的内在中的一个临时表。每个主机、交换机或路由器都有一个ARP高速缓存表。它用来存放最近IP地址到硬件MAC地址之间的映射记录。转发数据包时可以快速查找到对应MAC地址的端口。高速缓存表中每一项的生存时间都是有限的，一般称为老化时间，起始时间从被创建时开始计算的，一般老化时间为300秒。 4. 故障原因分析
4.1案例1故障分析
根据上述Gratuitous ARP、ARP缓存相关知识对案例1进行分析，单片机更改了MAC地址，卡启动后会自动广播Gratuitous ARP来宣告既定的IP地址，更新上层设备（二层交换机）的MAC地址表项，通知三层络设备更新ARP高速缓存。但是案例1中三层设备的ARP缓存却没有立即更新，而是等原有的ARP信息老化之后才进行更新，这就导致LED显示屏单片机更换MAC后出现络故障。同样，使用一台计算机主机接在与单片机接在相同的二层交换机下，当单片机更换MAC后，计算机能够立即Ping通单片机，这说明计算机系统能够接受单片机发送Gratuitous ARP，并快速更新计算机系统的ARP高速缓存。
4.2案例2故障分析
根据DHCP、ARP缓存相关知识并查看三层交换机中DHCP的配置，用户使用30分钟后Ping值变大，甚至出现丢包现象，而30分钟恰好是DHCP租期的一半。为了确定为DHCP问题，将用户计算机的IP设置为手动地址，观察30分钟后故障现场没有出现，同时检查三层核心交换机上的ARP缓存变动情况，发现在30分钟（租期一半）时，核心交换机清空了ARP高速缓存。这样，原来直接由硬件快速转发的数据包转由软件转发，所以转发时间变长，出现Ping值变长，甚至丢包现象。
通过案例1和案例2可以看出，二者都是在交换络的核心交换机的ARP机制上出现的故障，两种故障的发生从机制上解释又发生了矛盾：案例1中主机变更MAC地址后要求能快速更新核心交换机的ARP缓存，而案例2为了快速更新ARP缓存提前做了清空，反而导致络丢包。
5. IP地址配置和管理上应当注意的几点
从案例1和案例2分析的结果上来看，由于引起故障的原因是对立和矛盾的，所以无法同时解决这两个故障。从故障的轻重缓急来看，可以把案例2的故障重要性放在案例1前，优先从技术上处理，对于案例1的故障则要从管理上处理。主要有以下几个方面：
1） 正确规划IP地址范围，合理使用DHCP服务，启动dhcp功能的同时，适当预留一些不分配的地址，以供特殊的手动配置使用。
2） 在交换机端口上使用ip dhcp snooping功能限制自动获取IP地址的用户，使其不能手动配置。
3） 优化三层核心交换机上的ARP高速缓存清理机制，减少因清理ARP高速缓存而引起的数据丢包。
4） 尽量减少简单络设备的接入，接入设备能够处理Gratuitous ARP回应包，有IP冲突提醒机制。
6. 结语
本文从实践的角度出发，利用络维护中的案例，结合DHCP、Gratuitous ARP、交换机ARP缓存相关知识具体分析了故障的原因，并从故障查看，测试、分析和排除的步骤以及故障原因的相互对比中，提出了交换络中根据故障紧急及优先次序分类处理的方法，并针对目前IP地址配置和管理上容易出的问题，提出了一些建议。
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