基于以太網(wǎng)板卡的DHCP客戶(hù)端的設(shè)計(jì)

張奎

【摘要】DHCP是為了實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自動(dòng)分配而設(shè)計(jì)的，本文深入分析DHCP工作原理，在以太網(wǎng)板卡的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)DHCP客戶(hù)端，從而實(shí)現(xiàn)了板卡端口的地址自動(dòng)配置。

【關(guān)鍵詞】DHCP客戶(hù)端；以太網(wǎng)板卡；設(shè)計(jì)

1.引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與人們的工作與生活越來(lái)越緊密的聯(lián)系在一起。為確保網(wǎng)絡(luò)通信的正常進(jìn)行，需要配置IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。目前，IP地址分配主要采用手動(dòng)分配和自動(dòng)分配的方式。其中，手動(dòng)分配的地址將被長(zhǎng)期占用，導(dǎo)致地址利用率低。而自動(dòng)分配則是由處于網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器分配地址，這種方式將手工配置IP地址所導(dǎo)致的錯(cuò)誤減少到最低程度[1]。

IETF設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）正是這樣一種動(dòng)態(tài)分配機(jī)制。本文將闡述利用以太網(wǎng)板卡的現(xiàn)有功能，設(shè)計(jì)一個(gè)DHCP客戶(hù)端，從而使板卡的每個(gè)端口可以動(dòng)態(tài)獲取IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

2.DHCP原理

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol），是一種動(dòng)態(tài)向網(wǎng)絡(luò)終端提供配置參數(shù)的協(xié)議。DHCP使用客戶(hù)端/服務(wù)器模式，請(qǐng)求配置信息的終端被稱(chēng)為DHCP客戶(hù)端，而提供配置信息的被稱(chēng)為DHCP服務(wù)器。

DHCP客戶(hù)端和服務(wù)器之間的交互通過(guò)以下8種類(lèi)型的報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)：

①DISCOVER：由客戶(hù)端廣播，尋找可達(dá)的服務(wù)器；

②OFFER：由服務(wù)器響應(yīng)客戶(hù)端的DISCOVER報(bào)文，攜帶了相關(guān)配置參數(shù)；

③REQUEST：客戶(hù)端發(fā)往服務(wù)器，請(qǐng)求配置參數(shù)或確認(rèn)原來(lái)的配置是否可用；

④ACK：服務(wù)器發(fā)往客戶(hù)端，該報(bào)文包含了所提交的配置參數(shù)；

⑤NAK：服務(wù)器發(fā)往客戶(hù)端，提示客戶(hù)端參數(shù)錯(cuò)誤或租期已滿(mǎn)；

⑥D(zhuǎn)ECLINE：客戶(hù)端發(fā)往服務(wù)器，告訴服務(wù)器IP地址已被使用；

⑦RELEASE：客戶(hù)端發(fā)往服務(wù)器，告訴服務(wù)器放棄IP地址并終止剩余租期；

⑧INFORM：客戶(hù)端發(fā)往服務(wù)器，告訴服務(wù)器已配置了網(wǎng)絡(luò)，僅向服務(wù)器請(qǐng)求本地配置參數(shù)[2]；

客戶(hù)端從服務(wù)器動(dòng)態(tài)獲取IP地址，主要通過(guò)四個(gè)階段進(jìn)行：

①發(fā)現(xiàn)階段：客戶(hù)端尋找服務(wù)器的階段?？蛻?hù)端以廣播方式發(fā)送DISCOVER報(bào)文。

②提供階段：服務(wù)器提供IP地址的階段。服務(wù)器接收到客戶(hù)端的DISCOVER報(bào)文后，根據(jù)IP地址分配的規(guī)則選出一個(gè)IP地址，與其他參數(shù)一起通過(guò)OFFER報(bào)文發(fā)送給客戶(hù)端。

③選擇階段：客戶(hù)端選擇IP地址的階段。如果有多臺(tái)服務(wù)器向該客戶(hù)端發(fā)來(lái)OFFER報(bào)文，客戶(hù)端只接受第一個(gè)，然后以廣播方式發(fā)送REQUEST報(bào)文，該報(bào)文中包含服務(wù)器在OFFER報(bào)文中分配的IP地址。

④確認(rèn)階段：服務(wù)器確認(rèn)IP地址的階段。服務(wù)器收到REQUEST報(bào)文后，只有被選擇的服務(wù)器會(huì)進(jìn)行如下操作：如果確認(rèn)將該地址分配給該客戶(hù)端，則返回ACK報(bào)文；否則返回NAK報(bào)文，表明該地址不能分配給該客戶(hù)端[3]。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分采用VC++6.0開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)和編譯，程序運(yùn)行在WindowsXP環(huán)境下，程序設(shè)計(jì)的流程如圖2所示?？蛻?hù)端程序的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括：

（1）定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保存程序運(yùn)行中的配置參數(shù)，描述如下：

struct dhcp_frm_params

unsigned char op； // 操作類(lèi)型.

unsigned char htype； // client網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)議類(lèi)型.

unsigned char hlen； // client網(wǎng)絡(luò)硬件地址長(zhǎng)度.

unsigned char hops； // 當(dāng)前的DHCP報(bào)文經(jīng)過(guò)的DHCP中繼的數(shù)量.

unsigned int tx_id； // 匹配Server的響應(yīng)報(bào)文是對(duì)哪個(gè)請(qǐng)求報(bào)文的響應(yīng).

unsigned short seconds； // client開(kāi)始DHCP請(qǐng)求后到現(xiàn)在經(jīng)歷的時(shí)間.

unsigned short flags；

unsigned char ciaddr[4]； // 表示client的IP地址.

unsigned char yiaddr[4]； // server分配給client的IP地址.

unsigned char siaddr[4]； // client獲取配置信息的服務(wù)器的IP地址.

unsigned char giaddr[4]； // 記錄第一個(gè)DHCP中繼的IP地址.

unsigned char chaddr[16]； // 記錄client的實(shí)際硬件地址內(nèi)容.

signed char sname[64]； // client獲取配置信息的服務(wù)器的名稱(chēng).

signed char file[128]； // client的配置文件的名稱(chēng).

unsigned char* options； // 包含大量可選的終端初始配置信息.

unsigned int options_len； // options的長(zhǎng)度.

}

（2）為了產(chǎn)生特定的交互報(bào)文，定義了一系列函數(shù)，主要函數(shù)描述如下：

根據(jù)配置參數(shù)，生成一個(gè)dhcp報(bào)文：

make_up_dhcp_frm（dhcp_frm_params& dhcp_frm， char* buf）；

①發(fā)送一個(gè)dhcp-discover報(bào)文；

tx_one_dhcp_disscover_frm（）；

②判斷收到報(bào)文是否是dhcp-discover報(bào)文的響應(yīng)報(bào)文；

chk_dhcp_discover_response_frm（char*buf， unsigned int dataLen ）；

③發(fā)送一個(gè)dhcp-request報(bào)文；

tx_one_dhcp_request_frm（）；

④判斷收到報(bào)文是否是dhcp-request報(bào)文的響應(yīng)報(bào)文；

chk_dhcp_request_response_frm（char *buf， unsigned int dataLen ）；

⑤查找dhcp-discover的響應(yīng)報(bào)文；

get_dhcp_discover_response_msg（）；

⑥查找dhcp-request的響應(yīng)報(bào)文；

get_dhcp_request_response_msg（）；

⑦發(fā)送免費(fèi)的ARP報(bào)文，進(jìn)行地址沖突檢測(cè)；

tx_one_gratis_arp_frm（）；

⑧檢測(cè)對(duì)免費(fèi)ARP的響應(yīng)報(bào)文；

chk_gratis_arp_response_frm（）；

⑨查找免費(fèi)ARP的響應(yīng)報(bào)文。

get_gratis_arp_response_msg（）。

（3）報(bào)文的收發(fā)：

當(dāng)由軟件生成交互報(bào)文后，通過(guò)板卡的協(xié)議仿真通道，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)通道接收到的數(shù)據(jù)，獲取服務(wù)器或者其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件部分實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建一個(gè)協(xié)議仿真通道，執(zhí)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。軟件部分實(shí)現(xiàn)初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生交互過(guò)程中需要的報(bào)文，保存獲取的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

測(cè)試中使用了某國(guó)產(chǎn)路由器作為DHCP服務(wù)器，將板卡的一個(gè)測(cè)試端口直接與路由器相連，通過(guò)超級(jí)終端以console方式登陸路由器，配置地址池，使能路由器端口的DHCP服務(wù)器功能。啟動(dòng)配置過(guò)程后，在超級(jí)終端中可以看到服務(wù)器成功為客戶(hù)端分配了IP地址，并設(shè)置了地址的過(guò)期時(shí)間。

4.結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了DHCP客戶(hù)端如何動(dòng)態(tài)獲取IP地址的過(guò)程，并基于以太網(wǎng)板卡的功能，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)DHCP客戶(hù)端，可以用來(lái)測(cè)試從網(wǎng)絡(luò)中獲取地址的能力，對(duì)現(xiàn)有板卡的功能是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)

[1]邢國(guó)穩(wěn).工業(yè)以太網(wǎng)中DHCP協(xié)議應(yīng)用技術(shù)分析[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，5：30-31.

[2]RFC 2132，DHCP Options and BOOTP Vendor Extensions.

[3]Dynamic Host Configuration Protocol，RFC 2131，1997.