DHCP客戶端在ARM下的設計與實現*

王愛華 ，李詠春

（1.吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林132001；2.長春理工大學，吉林 長春130022）

隨著網絡技術和嵌入式技術的迅速發展，網絡中的嵌入式移動設備大量出現。為了將嵌入式設備接入到網絡中，每個嵌入式設備都必須進行基本的網絡配置。嵌入式移動設備在網絡中頻繁的接入，需要及時更新所使用的IP地址才能正常通信；在同一個網段上，為出現的大量嵌入式移動設備配置IP地址等參數十分困難，這也導致網絡中的IP地址成為稀缺資源，在這樣的環境下，每個嵌入式移動設備最好能夠自動獲取動態IP地址等資源，使用完畢后還能夠及時釋放。因此，對于存在頻繁接入大量嵌入式移動設備的網絡，其管理和維護任務相當繁重的，需要一種機制讓TCP/IP的配置和管理從用戶端轉移到網絡管理端，實現IP的集中式管理[1-3]。

為了解決網絡管理的難題，提出了一種適用于嵌入式環境的DHCP客戶端的設計方法，并且在ARM環境下得以實現。這種方法適合分散控制和管理存在較大規模嵌入式設備的網絡。DHCP客戶端協議移植到嵌入式系統上，可以節省配置IP參數的時間，大大提高嵌入式設備的可管理性，降低了嵌入式設備手工配置IP地址所造成的管理成本和硬件成本。

1 DHCP協議和工作原理

1.1 DHCP協議

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)即動態主機配置協議，是一個局域網的網絡協議。為了減輕TCP/IP網絡的規劃、管理和維護負擔，解決IP地址空間缺乏問題，DHCP為內部網絡或網絡服務供應商自動分配IP地址，為用戶或者內部網絡管理員提供對所有計算機進行中央管理的手段[4]。

DHCP是用于給多個客戶計算機集中分配IP地址以及相關的配置參數的協議，這樣就能將IP地址和TCP/IP的設置統一管理起來，從而避免不必要的地址沖突問題。該協議常常用在網絡中對眾多計算機的管理，以減少網絡管理員手工設置和分配地址的負擔。主機使用DHCP協議可以通過DHCP服務器得到IP地址、默認網關和DNS服務器等信息，從而大大減少了用戶的手動配置工作量，同時DHCP服務器能夠及時回收不用的IP地址，從而提高IP地址的利用率。

1.2 DHCP工作原理

DHCP的工作主要分為以下階段[5]：

（1）DHCP客戶端尋找DHCP服務器階段；

（2）DHCP服務器提供IP地址階段；

（3）DHCP客戶端選擇IP地址階段；

（4）DHCP服務器確認所提供的IP地址階段；

（5）租約確認階段；

（6）DHCP客戶端再次登錄網絡時，直接發送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request請求信息。

DHCP客戶端使用DHCP獲取其IP地址的過程中，共有6種狀態。各個狀態之間的轉換以及引起狀態轉換的事件和報文如圖1所示。DHCP客戶端第一次啟動時，便進入初始化狀態。為了獲取一個IP地址，它會向所有服務器廣播一個DHCP discover報文，并進入選擇狀態。處于選擇狀態時，它從DHCP服務器收集DHCP offer響應，并選擇一個服務器向其發送DHCP request報文，進入請求狀態。DHCP服務器確認請求后，發出DHCP ack報文，DHCP客戶端收到確認消息后轉移到已綁定狀態。當需要重新續約時，DHCP客戶端發送DHCP request報文并轉移到更新狀態。DHCP客戶端可以隨時發送DHCP release報文，返回初始化狀態。進入更新狀態后，DHCP客戶端發送DHCP nack報文，返回初始化狀態；如果租用期超過閾值，DHCP客戶端發送DHCP request報文并轉移到重綁定狀態。進入重綁定狀態后，如果租期到期或發送DHCP nack報文，則返回初始化狀態。

圖1 主要狀態和狀態間的轉換

2 DHCP客戶端的實現

2.1 開發環境

設計DHCP客戶端軟件的難點是DHCP客戶端在嵌入式系統上的移植[6]，其中前臺技術采用B/S模式。Fedora是一個基于Linux的獨立操作系統，具有開放性、創新性和前瞻性。它允許任何人自由地使用、修改和重新發布，可以運行在多種體系結構上。因此，本文選擇Fedora操作系統作為開發平臺。

為了能夠編譯、鏈接、處理和調試跨越平臺體系結構的程序代碼，使用交叉開發工具鏈和不同的參數[7]。編譯環境為在X86系列的處理器平臺上編譯出能運行在ARM構架的處理器平臺上的程序所需要的編譯工具。構建交叉編譯環境首先要確定目標平臺。在GNU系統中，每個目標平臺都有一個明確的格式，這些信息用于在構建過程中識別要使用的不同工具的正確版本。本系統的移植平臺是基于ARM9的嵌入式系統，開發板S3C2440所配內核已為最新的Linux-2.6.32.2，交叉編譯器統一為arm-linux-gcc-4.3.2。

2.2 DHCP客戶端軟件設計

DHCP客戶端軟件主要是用來完成狀態跳轉以及發送和接收DHCP包的任務，同時記錄時間，在未到達指定時刻時，對程序實行有效的阻塞。根據這些需求，可以采用死循環與選擇狀態函數結合的方法。選擇狀態函數用來偵聽與服務器連接的socket端口的變化情況。當選擇狀態函數偵聽的socket端口發生變化時，處理相應接收報文；當socket端口沒有發生變化時，將相應報文作發送處理。DHCP客戶端軟件中各個函數之間的調用關系如圖2所示。

由上面分析可知，DHCP客戶端軟件主要由相互獨立的若干子函數組成，主函數主要用來對子函數進行調用，每次執行完一個函數后，返回一個要執行的函數的地址，繼續執行。下面介紹5個主要子函數：

(1)初始化函數的流程圖如圖3所示，主要用來對DHCP客戶端進行初始化，發送discover報文。如果發送成功，返回選擇狀態函數的地址；否則，停止DHCP。

(2)請求函數的流程圖如圖4所示。DHCP客戶端接收服務器的DHCP ack報文，如果接收失敗，返回初始化函數地址；否則，對服務器提供的IP地址進行驗證，如果校驗失敗，發送declient報文并返回初始化函數地址；否則配置DHCP；如果配置成功，客戶端轉換到綁定狀態函數；否則，停止 DHCP。

(3)綁定函數的流程圖如圖5所示。DHCP客戶端將從服務器獲取到的IP設置成網卡的地址，DHCP客戶端進入更新狀態，等待服務器超時。

圖2 實現算法函數關系圖

圖3 初始化函數的流程圖

(4)更新函數的流程圖如圖6所示。DHCP客戶端在IP租約定時器超時的時候，向服務器發送DHCP request報文，進行續約。

圖4 請求函數的流程圖

圖5 綁定函數的流程圖

圖6 更新函數的流程圖

(5)重綁定函數的流程圖如圖7所示，當DHCP客戶端在IP租約到達80%時，若服務器還沒有回應DHCP ack報文，則DHCP客戶端廣播DHCP request報文。若在原租約期到期時，DHCP客戶端收到了DHCP ack報文，則客戶端進入綁定狀態；否則轉換到初始化狀態。

3 測試結果與分析

DHCP客戶端軟件對硬件方面并沒有極其嚴格的要求，為了進行測試，選用的計算機型號為三星R458，ARM9型號為S3C2440。DHCP客戶端軟件的測試步驟如下：

圖7 重綁定函數流程圖

(1)將編譯成功的DHCP客戶端軟件復制到U盤上，并將DHCP源代碼中client目錄下的dhclient-script和client.conf下載到U盤中；

(2)啟動ARM9，進入系統后，插入 U盤，掛載 U盤成功后，把 U盤中的 dhclient-scrip和 client.conf下載到/etc目錄下并修改權限，把DHCP客戶端軟件復制到/sbin目錄下并修改權限；

(3)在/sbin中，運行DHCP客戶端軟件，命令為dhclient eth0。

通過以上步驟可以得到DHCP客戶端軟件的運行結果，如圖8所示。

圖8 DHCP客戶端運行的結果

此外，通過對測試數據的分析可以得到以下結論：

(1)為了增加系統配置的靈活性，mac地址、主機名的設置是在系統啟動時的配置文件rcs中設置的，配置腳本如下：

(2)為了使設備的DHCP客戶端正確運行，在編譯Linux內核時，還需要在網絡設置部分添加以下選項：

分別添加數據包 socket、IP、DHCP支持和網絡數據包過濾選項，其中網絡數據包過濾后面子選項可不選。

(3)在S3C2440自帶的嵌入式系統上，上述第二項，必須進行內核編譯，否則DHCP客戶端不能直接運行。

(4)在適合 S3C2440的 Android系統上，DHCP客戶端程序能正常運行。

[1]方華，李超.基于ARM平臺的嵌入式DHCP協議設計和實現[J].電腦知識與技術，2007，13(3)：65-67.

[2]STEVENS W R，RAGO S A.Advanced programming in the UNIX environment(2nd Edition)[M].Boston：Addison-Wesley Professional.2008.

[3]李海燕，劉廣濤.DHCP客戶端在ARM9_Linux上的設計和實現[J].煙臺職業學院，2009，15(4)：70-77.

[4]王文龍，黃地龍.DHCP協議深入分析[J].電腦與電信，2010(4)：46-48.

[5]陳君，舒田華，高燕.嵌入式Linux系統的DHCP研究[J].九江學院學報，2007，26(3)：22-26.

[6]葉培順.嵌入式 Linux在 S3C2440上的移植[J].電子設計工程，2011，19(15)：111-113.

[7]樊濱溫，崔志強.DHCP協議客戶端的實現[J].計算機應用與軟件，2007，24(11)：143-145.