CSP202104-3 DHCP服务器

试题背景

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：

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；
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；
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；
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；
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；
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 $N$
默认过期时间 $T_{d e f}$
过期时间的上限和下限 $T_{m a x}$
本机名称 $H$

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：

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；
若类型不是 Discover、Request 之一，则不处理；
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：

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；
将该 IP 地址状态设置为待分配，占用者设置为发送主机；
若报文中过期时刻为 0 ，则设置过期时刻为 $t + T_{d e f}$
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：

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；
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；
无论该 IP 地址的状态为何，将该 IP 地址的状态设置为占用；
与 Discover 报文相同的方法，设置 IP 地址的过期时刻；
向发送主机发送 Ack 报文。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

class adr {
public:
    string user;
    int ip, status, t_die;//status0~3对应未分配、待分配、占用、过期
    adr() { user = "", ip = -1, status = 0, t_die = 0; }
};

int main() {
    ios::sync_with_stdio(0);
    cin.tie(0), cout.tie(0);
    int n, t_def, t_max, t_min,m;
    string host;
    cin >> n >> t_def >> t_max >> t_min >> host >> m;
    vector<adr> host_ip(n + 1, adr());
    unordered_map<int, string> occupy;//记录ip对应的占用者
    set<int> st0, st1, st2, st3;//分别存储4种状态的ip值
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
        host_ip[i].ip = i, st0.emplace(i);//初始状态所有ip都未分配
    while (m--) {
        int t, ip, t_die;
        string sender, rcver, type;
        cin >> t >> sender >> rcver >> type >> ip >> t_die;
        for (auto it = st1.begin(); it != st1.end();)
            if (t >= host_ip[*it].t_die) {//处理待分配地址过期
                host_ip[*it].status = 0;
                host_ip[*it].user = "";
                host_ip[*it].t_die = 0;//重设状态、占用者、过期时间
                if (occupy.find(*it) != occupy.end())
                    occupy.erase(*it);//清除ip占用记录
                st0.emplace(*it);//放回未分配set
                it = st1.erase(it);
            }
            else ++it;
        for (auto it = st2.begin(); it != st2.end();)
            if (t >= host_ip[*it].t_die) {//处理占用地址过期
                host_ip[*it].status = 3;
                host_ip[*it].t_die = 0;//重设状态、过期时间
                st3.emplace(*it);//放回过期set
                it = st2.erase(it);
            }
            else ++it;
        if (rcver != host && rcver != "*" && type != "REQ" ||
            type != "REQ" && type != "DIS" ||
            rcver == "*" && type != "DIS" ||
            rcver == host && type == "DIS")continue;
        else {
            if (type == "DIS") {
                int now_ip = -1;
                for (const auto& each : occupy)
                    if (each.second == sender){//首先查询占用者记录
                        now_ip = each.first;
                        host_ip[each.first].user = sender;
                        host_ip[each.first].status = 1;
                        st0.erase(each.first);
                        st1.emplace(each.first);
                        st2.erase(each.first);
                        st3.erase(each.first);//确保只放入待分配set
                        if (t_die == 0)
                            host_ip[each.first].t_die = t + t_def;
                        else
                            host_ip[each.first].t_die = max(min(t+t_max, t_die), t+t_min);
                        break;//按题意设定时间
                    }
                if (now_ip == -1)
                    for (auto& each : st0)//未找到的话再找未分配ip
                        if (host_ip[each].status == 0) {
                            st1.emplace(each);
                            host_ip[each].status = 1;
                            host_ip[each].user = sender;
                            occupy[each] = sender;
                            now_ip = each;
                            if (t_die == 0)
                                host_ip[each].t_die = t + t_def;
                            else
                                host_ip[each].t_die = max(min(t+t_max, t_die), t+t_min);
                            st0.erase(each);//移除未分配set中的此ip
                            break;
                        }
                if (now_ip == -1)
                    for (auto& each : st3)//未找到的话再找过期ip
                        if (host_ip[each].status == 3) {
                            st1.emplace(each);
                            host_ip[each].status = 1;
                            host_ip[each].user = sender;
                            occupy[each] = sender;
                            now_ip = each;
                            if (t_die == 0)
                                host_ip[each].t_die = t + t_def;
                            else
                                host_ip[each].t_die = max(min(t+t_max, t_die), t+t_min);
                            st3.erase(each);
                            break;
                        }
                if (now_ip == -1)continue;//都没有找到合适ip则不处理
                cout << host << ' ' << sender << " OFR " << now_ip << ' ' << host_ip[now_ip].t_die << endl;
            }
            else if (type == "REQ") {
                if (rcver != host) {
                    for (auto it = occupy.begin(); it != occupy.end();)
                        if (it->second == sender && host_ip[it->first].status == 1) {
                            host_ip[it->first].status = 0;
                            st0.emplace(it->first);
                            host_ip[it->first].user = "";
                            host_ip[it->first].t_die = 0;
                            st1.erase(it->first);
                            st2.erase(it->first);
                            st3.erase(it->first);
                            it = occupy.erase(it);//重设所有此占用者的ip
                        }
                        else it++;
                }
                else {
                    if(occupy.find(ip)==occupy.end()||occupy[ip]!=sender)
                        cout << host << ' ' << sender << " NAK " << ip << ' ' << 0 << endl;
                    else {
                        st0.erase(ip); st1.erase(ip); st3.erase(ip);
                        st2.emplace(ip);
                        host_ip[ip].status = 2;
                        host_ip[ip].user = sender;
                        occupy[ip] = sender;//强制设置为占用
                        if (t_die == 0)
                            host_ip[ip].t_die = t + t_def;
                        else
                            host_ip[ip].t_die = max(min(t+t_max, t_die), t+t_min);
                        cout << host << ' ' << sender << " ACK " << ip << ' ' << host_ip[ip].t_die << endl;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

试题背景

问题描述

报文格式

服务器配置

分配策略

实现细节

C++ BigInteger类实现

一元任意多项式四则运算求解

Harvey13

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