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Kea DHCPv4/v6 服务器：模块化 C++ 架构与钩子扩展的高性能实现

ISC Kea 是现代模块化 DHCPv4/v6 服务器，通过 C++ 核心与钩子库实现扩展性、高可用 failover 及无状态/有状态高性能操作。

Kea 是 Internet Systems Consortium (ISC) 开发的下一代 DHCP 服务器，用纯 C++ 实现，支持 DHCPv4 和 DHCPv6 协议。它取代了已于 2022 年 EOL 的旧 ISC DHCP，专为现代网络设计：模块化架构、动态钩子扩展、REST API 在线重配置、高性能多线程处理，以及高可用 (HA) failover 机制。本文聚焦其核心协议处理架构、钩子库扩展、高可用参数配置，以及无状态 / 有状态操作的工程化落地要点，帮助你快速部署企业级 DHCP 服务。

模块化 C++ 架构：分离关注点，提升可维护性

Kea 的设计哲学是 “按需加载”，避免单体巨无霸。核心组件包括独立守护进程：

  • kea-dhcp4：处理 DHCPv4 Discover/Offer/Request/Ack 等协议交互。
  • kea-dhcp6：对应 DHCPv6 Solicit/Advertise/Request/Reply，支持 IA_NA/IA_TA/TEMP_ADDR。
  • kea-dhcp-ddns：动态 DNS 更新模块，与 BIND 等集成。
  • kea-ctrl-agent：RESTful API 网关，支持在线配置变更，如 kea-dhcp4 remote-set-config。

这些进程通过 JSON 配置文件 /etc/kea/kea-dhcp4.conf 统一管理，示例基础子网配置：

{
  "Dhcp4": {
    "interfaces-config": { "interfaces": ["eth0"] },
    "valid-lifetime": 4000,
    "renew-timer": 1000,
    "rebind-timer": 2000,
    "subnet4": [{
      "subnet": "192.168.1.0/24",
      "pools": [{ "pool": "192.168.1.100 - 192.168.1.200" }],
      "option-data": [
        { "name": "routers", "data": "192.168.1.1" },
        { "name": "domain-name-servers", "data": "8.8.8.8" }
      ]
    }]
  }
}

C++ 核心库 libdhcpsrv 处理协议栈：解析 UDP 报文（端口 67/68）、租约分配逻辑、选项封装（Option 3 路由器、6 DNS）。相比单线程旧版，Kea 多线程 IO（默认 threads=4，可设 auto），支持短租期高并发场景，如数据中心 PD（前缀委派）分配。

验证配置：kea-dhcp4 -t /etc/kea/kea-dhcp4.conf，启动：systemctl start isc-kea-dhcp4-server。

钩子库：C++ 扩展点，实现自定义逻辑

钩子（Hooks）是 Kea 的杀手锏，允许动态加载 .so 库，在协议生命周期 12 个点注入代码：pkt4_receive（收包）、lease4_add（新增租约）等。无需重启服务器。

内置钩子示例：

  • libdhcp_ha.so：HA 状态机。
  • libdhcp_mysql.so：MySQL 后端。
  • libdhcp_lease_cmds.so：REST 租约管理。

加载方式，在 Global.hooks-libraries：

{
  "hooks-libraries": [{
    "library": "/usr/lib/x86_64-linux-gnu/kea/hooks/libdhcp_ha.so",
    "parameters": { "high-availability": { "this-server-name": "server1" } }
  }]
}

自定义钩子：继承 ServerHook，实现 preSend 等回调，用 CMake 编译。风险：钩子崩溃不影响核心，但需单元测试。

高可用 Failover：负载均衡与热备参数优化

Kea HA 通过钩子实现 RFC 3074 兼容 failover，无需共享存储。支持三种模式：

模式 描述 适用场景 关键参数
load-balancing 双活共享负载，同步租约更新 高吞吐 scope-id=0, max-response-delay=100ms
hot-standby 主备切换，备机监控心跳 零丢包 state-on-acquisition=hot-standby
passive-backup 主备份，备份仅存副本 容灾备份 no failover 服务中断

配置示例（热备，主服务器）：

"high-availability": {
  "mode": "hot-standby",
  "peers": [{
    "name": "server2",
    "url": "http://192.168.1.2:8000/",
    "role": "secondary",
    "auto-failover": true,
    "heartbeat-interval": 1000,
    "dialout-interval": 10000,
    "max-response-delay": 10000,
    "max-heartbeat-delay": 20000
  }],
  "states": ["startup", "wait", "load-balancing", "hot-standby", "partner-down"]
}

监控要点：

  • 时钟同步：NTP 确保偏差 <30s，超 60s 进入 terminate 状态。
  • 心跳：REST ha-heartbeat，备机检测 partner-down 后接管。
  • Stork 仪表盘：部署 agent，监控 HA 状态、租约同步延迟。
  • 回滚：ha-disable-forwarding 命令，手动 sync 数据库。

负载测试：perfdhcp -4 -u 0.0.0.0 -s 192.168.1.1 -n 100000 -l 10 -r TXRX，目标 >10k req/s。

无状态 / 有状态高性能操作参数

  • 无状态 (stateless)：仅选项（如 DNS），配置 "pd-pool" 空，relay 模式。
  • 有状态 (stateful)：完整租约，DB 后端配置：
"lease-database": {
  "type": "mysql",
  "name": "kea_leases",
  "user": "kea",
  "password": "kea123",
  "host": "localhost",
  "port": 3306,
  "connect-timeout": 5,
  "pool-size": 10
}

初始化：kea-admin db-init mysql -u root -p -n kea_leases。

性能调优清单：

  1. 多线程："multi-threading": { "enable-multi-threading": true, "thread-pool-size": 32 }。
  2. 租约清理：kea-lfc -d /var/lib/kea 定时任务。
  3. 缓存：host-cache-size=10000，shared-networks 分流。
  4. 监控：Prometheus exporter hooks，阈值：延迟 > 50ms 告警，丢包 > 1%。
  5. 规模：单机 50k 客户端，HA 双机 100k+，DB 读写分离。

部署清单：

  • 安装：apt install isc-kea-dhcp4-server isc-kea-admin stork-agent。
  • DB：MySQL 8.0+，索引 leases4.ip_address。
  • 防火墙：UDP 67/68，TCP 8000 (API)。
  • 测试：Wireshark 捕包验证 DORA 流程。
  • 回滚：备机 memfile 模式，keactrl stop。

Kea 的 C++ 模块化设计，确保了协议鲁棒性与扩展性，HA 参数如 heartbeat-interval=1s、max-response-delay=10s 是生产阈值起点，根据负载微调（参考 perf 测试）。

资料来源：

  • ISC 官网：Kea 采用模块化组件设计，通过钩子模块扩展。[1]
  • HN 讨论：强调 HA 钩子的高可用策略。[2]

[1] https://www.isc.org/kea/
[2] https://news.ycombinator.com/item?id=419xxxx (Kea DHCP HN post)

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