實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的IP地址自動(dòng)設(shè)置程序

黃曉玲

（山西省臨汾市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041004）

實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的IP地址自動(dòng)設(shè)置程序

黃曉玲

（山西省臨汾市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041004）

實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的IP地址自動(dòng)設(shè)置程序，便于網(wǎng)絡(luò)管理人員對實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行方便、快捷、有效的配置與管理。文章首先分析DHCP技術(shù)的工作原理，掌握了DHCP服務(wù)器與客戶端交互的過程。其次，考慮到DHCP技術(shù)本身的復(fù)雜性，提出了使用UDP廣播進(jìn)行通信，并自定義通訊協(xié)議這樣相對簡單的系統(tǒng)解決方案。研究Windows系統(tǒng)判斷IP地址沖突的機(jī)制，Windows系統(tǒng)配置IP等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的原理，并進(jìn)一步研究分析了UDP廣播通訊、ARP地址解析協(xié)議、Windows平臺(tái)下Socket網(wǎng)絡(luò)編程等相關(guān)問題。最后，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)客戶端程序，并在Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了全部功能。

計(jì)算機(jī)；IP配置；DHCP；ARP；IP配置；多線程

一、DHCP協(xié)議概述

動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP）是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用UDP協(xié)議工作，主要有兩個(gè)用途：給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動(dòng)分配IP地址給用戶與給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員作為對所有計(jì)算機(jī)作中央管理的手段。它分為兩個(gè)部分：一個(gè)是服務(wù)器端，另一個(gè)是客戶端。所有的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)定數(shù)據(jù)都由DHCP服務(wù)器集中管理，并負(fù)責(zé)處理客戶端的DHCP要求；而客戶端則會(huì)使用從服務(wù)器分配下來的IP環(huán)境數(shù)據(jù)。比較起B(yǎng)OOTP，DHCP透過“租約”的概念，有效且動(dòng)態(tài)地分配客戶端的TCP/IP設(shè)定。而且，作為兼容考慮，DHCP也完全照顧了BOOTP Client的需求。DHCP的分配形式必須至少有一臺(tái)DHCP工作在網(wǎng)絡(luò)上面，它會(huì)檢測網(wǎng)絡(luò)的DHCP請求，并與客戶端磋商TCP/IP的設(shè)定環(huán)境。

DHCP協(xié)議分配更加靈活，能動(dòng)態(tài)地設(shè)定IP地址，還可以將一些IP保留下來給一些特殊用途的機(jī)器使用。它可以按照硬件地址來固定地分配IP地址，同時(shí)，DHCP還可以幫客戶端指定 router、netmask、DNS Server、WINSServer、等等項(xiàng)目。

二、DHCP工作原理

客戶端第一次登錄網(wǎng)路，DHCP的工作形式會(huì)有所不同，表現(xiàn)如下：

1.尋找Server。當(dāng)DHCP客戶端第一次登錄網(wǎng)路的時(shí)候，也就是客戶發(fā)現(xiàn)本機(jī)上沒有任何IP資料設(shè)定，它會(huì)向網(wǎng)路發(fā)出一個(gè)DHCPDISCOVER封包。因?yàn)榭蛻舳诉€不知道自己屬于哪一個(gè)網(wǎng)路，所以封包的來源位址會(huì)為0.0.0.0。而目的位址則為255.255.255.255，然后再附上Dhcpdiscover的信息，向網(wǎng)路進(jìn)行廣播。在Windows的預(yù)設(shè)情形下，Dhcpdiscover的等待時(shí)間預(yù)設(shè)為1秒，也就是當(dāng)客戶端將第一個(gè)Dhcpdiscover封包送出去之后，如果在1秒之內(nèi)沒有得到回應(yīng)的話，就會(huì)進(jìn)行第二次Dhcpdiscover廣播。若一直得不到回應(yīng)的情況下，客戶端一共會(huì)有四次Dhcpdiscover廣播(包括第一次在內(nèi))，除了第一次會(huì)等待1秒之外，其余三次的等待時(shí)間分別是9、13、16秒。如果都沒有得到DHCP伺服器的回應(yīng)，客戶端則會(huì)顯示錯(cuò)誤信息，宣告Dhcpdiscover失敗。之后，基于使用者的選擇，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)在5分鐘之后再重復(fù)一次Dhcpdiscover的過程。

2.提供IP租用位址。當(dāng)DHCP伺服器監(jiān)聽到客戶端發(fā)出的Dhcpdiscover廣播后，它會(huì)從那些還沒有租出的位址范圍內(nèi)，選擇最前面的空置IP，連同其它TCP/IP設(shè)定，回應(yīng)給客戶端一個(gè)DHCPOFFER封包。由于客戶端在開始的時(shí)候還沒有 IP位址，所以在其Dhcpdiscover封包內(nèi)會(huì)帶有其MAC位址信息，并且有一個(gè)XID編號來辨別該封包，DHCP伺服器回應(yīng)的Dhcpoffer封包則會(huì)根據(jù)這些資料傳遞給要求租約的客戶。根據(jù)伺服器端的設(shè)定，Dhcpoffer封包會(huì)包含一個(gè)租約期限的信息。

3.接受 IP租約。如果客戶端收到網(wǎng)路上多臺(tái)DHCP伺服器的回應(yīng)，那么它只會(huì)挑選其中一個(gè)Dhcpoffer而已(通常是最先抵達(dá)的那個(gè))，并且會(huì)向網(wǎng)路發(fā)送一個(gè)Dhcprequest廣播封包，告訴所有DHCP伺服器它將指定接受那一臺(tái)伺服器提供的IP位址。同時(shí)，客戶端還會(huì)向網(wǎng)路發(fā)送一個(gè)ARP封包，查詢網(wǎng)路上面有沒有其它機(jī)器使用該IP位址。如果發(fā)現(xiàn)該IP已經(jīng)被占用，客戶端則會(huì)送出一個(gè) DHCPDECLINE封包給DHCP伺服器，拒絕接受其Dhcpoffer，并重新發(fā)送Dhcpdiscover信息。

三、ARP協(xié)議概述及命令選項(xiàng)

1.ARP協(xié)議概述：

ARP是一個(gè)重要的TCP/IP協(xié)議，并且用于確定對應(yīng)ip地址的網(wǎng)卡物理地址。實(shí)用ARP命令，你能夠查看本地計(jì)算機(jī)或另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的ARP高速緩存中的當(dāng)前內(nèi)容。

按照缺省設(shè)置，ARP高速緩存中的項(xiàng)目是動(dòng)態(tài)的，每當(dāng)發(fā)送一個(gè)指定地點(diǎn)的數(shù)據(jù)包且高速緩存中不存在當(dāng)前項(xiàng)目時(shí)，ARP便會(huì)自動(dòng)添加該項(xiàng)目。一旦高速緩存的項(xiàng)目被輸入，它們就已經(jīng)開始走向失效狀態(tài)。例如，在windows nt網(wǎng)絡(luò)中，如果輸入項(xiàng)目后不進(jìn)一步使用，物理/IP地址對就會(huì)在2至10分鐘內(nèi)失效。因此，如果ARP高速緩存中項(xiàng)目很少或根本沒有時(shí)，它通過另一臺(tái)計(jì)算機(jī)或路由器的ping命令進(jìn)行添加。所以，需要通過ARP命令查看高速緩存中的內(nèi)容時(shí)，應(yīng)先ping此臺(tái)計(jì)算機(jī)（不能是本機(jī)發(fā)送ping命令）。

2.常用命令選項(xiàng)：

ARP A或ARP G——用于查看高速緩存中的所有項(xiàng)目。-A和-G參數(shù)的結(jié)果是一樣的，多年來-G一直是unix平臺(tái)上用來顯示ARP高速緩存中所有項(xiàng)目的選項(xiàng)，而windows用的是ARPA（-A可被視為all，即全部的意思），但它也可以接受比較傳統(tǒng)的-G選項(xiàng)。

ARPAIP——如果你有多個(gè)網(wǎng)卡，那么使用ARP A加上接口的IP地址，就可以只顯示與該接口相關(guān)的ARP緩存項(xiàng)目。

ARPSIP物理地址——你可以向ARP高速緩存中人工輸入一個(gè)靜態(tài)項(xiàng)目。該項(xiàng)目在計(jì)算機(jī)引導(dǎo)過程中將保持有效狀態(tài)，或者在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，人工配置的物理地址將自動(dòng)更新該項(xiàng)目。

ARPDIP——使用本命令能夠人工刪除一個(gè)靜態(tài)項(xiàng)目。

四、ARP工作原理

ARP協(xié)議是用于由節(jié)點(diǎn)IP地址解析其MAC地址，然后進(jìn)行局域網(wǎng)內(nèi)部通信的協(xié)議。例如要與某主機(jī)連接，可以在瀏覽器或運(yùn)行窗口中輸入其IP地址，然而在局域網(wǎng)內(nèi)是沒有網(wǎng)絡(luò)層的，網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)設(shè)備不能識(shí)別IP地址，只識(shí)別MAC地址，所以這時(shí)就需要ARP協(xié)議來轉(zhuǎn)換。ARP協(xié)議的基本功能就是通過數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的IP地址查詢目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC地址，以便把數(shù)據(jù)包發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備中。

ARP的基本工作原理如下：

1.每臺(tái)主機(jī)都會(huì)根據(jù)以往在網(wǎng)絡(luò)中與其他節(jié)點(diǎn)的通信，在自己的ARP緩存區(qū)（ARPCache）中建立一個(gè)ARP列表，以表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)IP地址和MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。

2.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要將一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)首先檢查自己ARP列表中是否存在該包中所包含的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)IP地址對應(yīng)的MAC地址。如果有，則直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送到這個(gè)MAC地址節(jié)點(diǎn)上；如果沒有，就向本地網(wǎng)段發(fā)起一個(gè)ARP請求的廣播包，查詢此IP地址目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的MAC地址。此ARP請求數(shù)據(jù)包里包括源節(jié)點(diǎn)的IP地址、硬件地址以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的IP地址。

3.網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)在收到這個(gè)ARP請求后，會(huì)檢查數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)IP地址是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此數(shù)據(jù)包；如果相同，該節(jié)點(diǎn)首先將源端的MAC地址和IP地址的對應(yīng)表項(xiàng)添加到自己的ARP列表中。如果發(fā)現(xiàn)ARP表中已經(jīng)存在該IP地址所對應(yīng)的MAC地址表項(xiàng)信息，則將其覆蓋，然后給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ARP響應(yīng)數(shù)據(jù)包，告訴對方自己是它需要查找的MAC地址節(jié)點(diǎn)。

4.源節(jié)點(diǎn)在收到這個(gè)ARP響應(yīng)數(shù)據(jù)包后，將得到的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的IP地址和MAC地址對應(yīng)表項(xiàng)添加到自己的ARP列表中，并利用此信息開始數(shù)據(jù)的傳輸。如果源節(jié)點(diǎn)一直沒有收到ARP響應(yīng)數(shù)據(jù)包，則表示ARP查詢失敗。

五、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是本系統(tǒng)的客戶端與服務(wù)器均采用UDP廣播進(jìn)行通信，定義了客戶端與服務(wù)器通信的格式，客戶端在接收到服務(wù)器分配的IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息以后，將以廣播的方式向整個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送針對服務(wù)器分配的IP地址的ARP請求，以此可以判斷該IP地址是否已經(jīng)被局域網(wǎng)內(nèi)其他主機(jī)占用。為了更快速、更有效地配置IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息，首先獲取本機(jī)網(wǎng)絡(luò)適配卡的相關(guān)信息，然后據(jù)此修改注冊表中與其對應(yīng)的IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息。也調(diào)用該API函數(shù)，通告網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的改變，以使新配置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)立即生效。采用多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期的功能。本程序運(yùn)行以后，首先創(chuàng)建一個(gè)工作者線程InitThread用以做一些初始化的工作，通過使用臨界區(qū)對象來解決線程與線程之間的同步問題。在正確地配置好IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息后，將不要求用戶點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕以退出本程序。本程序檢測正確完成預(yù)期功能以后，將以發(fā)送消息的方式要求本程序結(jié)束運(yùn)行，系統(tǒng)在接收到該消息以后，將結(jié)束本程序。

六、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)環(huán)境與測試方法

在分析并設(shè)計(jì)好了本客戶端程序以后，在Windows2003SP1＋ VisualC++ 6.0SP6 ＋PlatformSDK_Svr2003SP1的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了本客戶端程序。

系統(tǒng)的測試方法：測試環(huán)境為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室100臺(tái)相連，組成一個(gè)局域網(wǎng)。計(jì)算機(jī)使用的操作系統(tǒng)為Windows XPSP2+Windows Server2003 SP1，總體的測試結(jié)果為：所有預(yù)期功能全部完成。

使用DHCP技術(shù)實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的配置，可以讓網(wǎng)絡(luò)管理人員更方便、快捷、有效地對局域網(wǎng)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置與管理，在一定程度上代替了DHCP技術(shù)?？蛻舳顺绦蛲ㄟ^UDP廣播與服務(wù)器通信?？蛻舳税l(fā)送UDP廣播到服務(wù)器綁定的特定端口。同時(shí)在客戶端綁定的端口上，等待服務(wù)器的應(yīng)答消息?？蛻舳私邮辗?wù)器的消息，從該消息中提取相應(yīng)的信息，如IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等。極大地方便了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理人員對計(jì)算機(jī)的管理。

［1］鄭阿奇.Visual C++實(shí)訓(xùn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

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A

1673-0046（2010）12-0190-02