實驗室計算機的IP地址自動設置程序

黃曉玲

（山西省臨汾市職業技術學院，山西 臨汾 041004）

實驗室計算機的IP地址自動設置程序

黃曉玲

（山西省臨汾市職業技術學院，山西 臨汾 041004）

實驗室計算機的IP地址自動設置程序，便于網絡管理人員對實驗室計算機的網絡參數進行方便、快捷、有效的配置與管理。文章首先分析DHCP技術的工作原理，掌握了DHCP服務器與客戶端交互的過程。其次，考慮到DHCP技術本身的復雜性，提出了使用UDP廣播進行通信，并自定義通訊協議這樣相對簡單的系統解決方案。研究Windows系統判斷IP地址沖突的機制，Windows系統配置IP等網絡參數的原理，并進一步研究分析了UDP廣播通訊、ARP地址解析協議、Windows平臺下Socket網絡編程等相關問題。最后，設計了該系統客戶端程序，并在Visual C++6.0開發環境下實現了全部功能。

計算機；IP配置；DHCP；ARP；IP配置；多線程

一、DHCP協議概述

動態主機設置協議（Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP）是一個局域網的網絡協議，使用UDP協議工作，主要有兩個用途：給內部網絡或網絡服務供應商自動分配IP地址給用戶與給內部網絡管理員作為對所有計算機作中央管理的手段。它分為兩個部分：一個是服務器端，另一個是客戶端。所有的IP網絡設定數據都由DHCP服務器集中管理，并負責處理客戶端的DHCP要求；而客戶端則會使用從服務器分配下來的IP環境數據。比較起BOOTP，DHCP透過“租約”的概念，有效且動態地分配客戶端的TCP/IP設定。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DHCP工作在網絡上面，它會檢測網絡的DHCP請求，并與客戶端磋商TCP/IP的設定環境。

DHCP協議分配更加靈活，能動態地設定IP地址，還可以將一些IP保留下來給一些特殊用途的機器使用。它可以按照硬件地址來固定地分配IP地址，同時，DHCP還可以幫客戶端指定 router、netmask、DNS Server、WINSServer、等等項目。

二、DHCP工作原理

客戶端第一次登錄網路，DHCP的工作形式會有所不同，表現如下：

1.尋找Server。當DHCP客戶端第一次登錄網路的時候，也就是客戶發現本機上沒有任何IP資料設定，它會向網路發出一個DHCPDISCOVER封包。因為客戶端還不知道自己屬于哪一個網路，所以封包的來源位址會為0.0.0.0。而目的位址則為255.255.255.255，然后再附上Dhcpdiscover的信息，向網路進行廣播。在Windows的預設情形下，Dhcpdiscover的等待時間預設為1秒，也就是當客戶端將第一個Dhcpdiscover封包送出去之后，如果在1秒之內沒有得到回應的話，就會進行第二次Dhcpdiscover廣播。若一直得不到回應的情況下，客戶端一共會有四次Dhcpdiscover廣播(包括第一次在內)，除了第一次會等待1秒之外，其余三次的等待時間分別是9、13、16秒。如果都沒有得到DHCP伺服器的回應，客戶端則會顯示錯誤信息，宣告Dhcpdiscover失敗。之后，基于使用者的選擇，系統會繼續在5分鐘之后再重復一次Dhcpdiscover的過程。

2.提供IP租用位址。當DHCP伺服器監聽到客戶端發出的Dhcpdiscover廣播后，它會從那些還沒有租出的位址范圍內，選擇最前面的空置IP，連同其它TCP/IP設定，回應給客戶端一個DHCPOFFER封包。由于客戶端在開始的時候還沒有 IP位址，所以在其Dhcpdiscover封包內會帶有其MAC位址信息，并且有一個XID編號來辨別該封包，DHCP伺服器回應的Dhcpoffer封包則會根據這些資料傳遞給要求租約的客戶。根據伺服器端的設定，Dhcpoffer封包會包含一個租約期限的信息。

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

三、ARP協議概述及命令選項

1.ARP協議概述：

ARP是一個重要的TCP/IP協議，并且用于確定對應ip地址的網卡物理地址。實用ARP命令，你能夠查看本地計算機或另一臺計算機的ARP高速緩存中的當前內容。

按照缺省設置，ARP高速緩存中的項目是動態的，每當發送一個指定地點的數據包且高速緩存中不存在當前項目時，ARP便會自動添加該項目。一旦高速緩存的項目被輸入，它們就已經開始走向失效狀態。例如，在windows nt網絡中，如果輸入項目后不進一步使用，物理/IP地址對就會在2至10分鐘內失效。因此，如果ARP高速緩存中項目很少或根本沒有時，它通過另一臺計算機或路由器的ping命令進行添加。所以，需要通過ARP命令查看高速緩存中的內容時，應先ping此臺計算機（不能是本機發送ping命令）。

2.常用命令選項：

ARP A或ARP G——用于查看高速緩存中的所有項目。-A和-G參數的結果是一樣的，多年來-G一直是unix平臺上用來顯示ARP高速緩存中所有項目的選項，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的-G選項。

ARPAIP——如果你有多個網卡，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的ARP緩存項目。

ARPSIP物理地址——你可以向ARP高速緩存中人工輸入一個靜態項目。該項目在計算機引導過程中將保持有效狀態，或者在出現錯誤時，人工配置的物理地址將自動更新該項目。

ARPDIP——使用本命令能夠人工刪除一個靜態項目。

四、ARP工作原理

ARP協議是用于由節點IP地址解析其MAC地址，然后進行局域網內部通信的協議。例如要與某主機連接，可以在瀏覽器或運行窗口中輸入其IP地址，然而在局域網內是沒有網絡層的，網絡中的主機設備不能識別IP地址，只識別MAC地址，所以這時就需要ARP協議來轉換。ARP協議的基本功能就是通過數據包中的目標節點的IP地址查詢目標節點的MAC地址，以便把數據包發送到目標設備中。

ARP的基本工作原理如下：

1.每臺主機都會根據以往在網絡中與其他節點的通信，在自己的ARP緩存區（ARPCache）中建立一個ARP列表，以表示網絡中節點IP地址和MAC地址的對應關系。

2.當源節點需要將一個數據包發送到目標節點時，會首先檢查自己ARP列表中是否存在該包中所包含的目標節點IP地址對應的MAC地址。如果有，則直接將數據包發送到這個MAC地址節點上；如果沒有，就向本地網段發起一個ARP請求的廣播包，查詢此IP地址目標節點對應的MAC地址。此ARP請求數據包里包括源節點的IP地址、硬件地址以及目標節點的IP地址。

3.網絡中所有的節點在收到這個ARP請求后，會檢查數據包中的目標IP地址是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此數據包；如果相同，該節點首先將源端的MAC地址和IP地址的對應表項添加到自己的ARP列表中。如果發現ARP表中已經存在該IP地址所對應的MAC地址表項信息，則將其覆蓋，然后給源節點發送一個ARP響應數據包，告訴對方自己是它需要查找的MAC地址節點。

4.源節點在收到這個ARP響應數據包后，將得到的目標節點的IP地址和MAC地址對應表項添加到自己的ARP列表中，并利用此信息開始數據的傳輸。如果源節點一直沒有收到ARP響應數據包，則表示ARP查詢失敗。

五、系統的設計與調試

系統的設計原理是本系統的客戶端與服務器均采用UDP廣播進行通信，定義了客戶端與服務器通信的格式，客戶端在接收到服務器分配的IP地址等網絡參數信息以后，將以廣播的方式向整個局域網絡發送針對服務器分配的IP地址的ARP請求，以此可以判斷該IP地址是否已經被局域網內其他主機占用。為了更快速、更有效地配置IP地址等網絡參數信息，首先獲取本機網絡適配卡的相關信息，然后據此修改注冊表中與其對應的IP地址等網絡參數信息。也調用該API函數，通告網絡參數的改變，以使新配置的網絡參數立即生效。采用多線程機制實現系統預期的功能。本程序運行以后，首先創建一個工作者線程InitThread用以做一些初始化的工作，通過使用臨界區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地址等網絡參數信息后，將不要求用戶點擊關閉按鈕以退出本程序。本程序檢測正確完成預期功能以后，將以發送消息的方式要求本程序結束運行，系統在接收到該消息以后，將結束本程序。

六、系統的實現環境與測試方法

在分析并設計好了本客戶端程序以后，在Windows2003SP1＋ VisualC++ 6.0SP6 ＋PlatformSDK_Svr2003SP1的環境下實現了本客戶端程序。

系統的測試方法：測試環境為計算機實驗室100臺相連，組成一個局域網。計算機使用的操作系統為Windows XPSP2+Windows Server2003 SP1，總體的測試結果為：所有預期功能全部完成。

使用DHCP技術實現對主機的IP地址等網絡參數進行動態、靜態的配置，可以讓網絡管理人員更方便、快捷、有效地對局域網主機的網絡參數進行配置與管理，在一定程度上代替了DHCP技術。客戶端程序通過UDP廣播與服務器通信。客戶端發送UDP廣播到服務器綁定的特定端口。同時在客戶端綁定的端口上，等待服務器的應答消息。客戶端接收服務器的消息，從該消息中提取相應的信息，如IP地址、子網掩碼、默認網關等。極大地方便了計算機實驗室管理人員對計算機的管理。

［1］鄭阿奇.Visual C++實訓［M］.北京：清華大學出版社，2005.

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1673-0046（2010）12-0190-02