基于以太網板卡的DHCP客戶端的設計

張奎

【摘要】DHCP是為了實現TCP/IP網絡參數的自動分配而設計的，本文深入分析DHCP工作原理，在以太網板卡的基礎上，設計了一個DHCP客戶端，從而實現了板卡端口的地址自動配置。

【關鍵詞】DHCP客戶端；以太網板卡；設計

1.引言

隨著網絡技術的發展，TCP/IP網絡與人們的工作與生活越來越緊密的聯系在一起。為確保網絡通信的正常進行，需要配置IP地址等網絡參數。目前，IP地址分配主要采用手動分配和自動分配的方式。其中，手動分配的地址將被長期占用，導致地址利用率低。而自動分配則是由處于網絡中的服務器分配地址，這種方式將手工配置IP地址所導致的錯誤減少到最低程度[1]。

IETF設計的動態主機配置協議（DHCP）正是這樣一種動態分配機制。本文將闡述利用以太網板卡的現有功能，設計一個DHCP客戶端，從而使板卡的每個端口可以動態獲取IP地址等網絡參數。

2.DHCP原理

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol），是一種動態向網絡終端提供配置參數的協議。DHCP使用客戶端/服務器模式，請求配置信息的終端被稱為DHCP客戶端，而提供配置信息的被稱為DHCP服務器。

DHCP客戶端和服務器之間的交互通過以下8種類型的報文來實現：

①DISCOVER：由客戶端廣播，尋找可達的服務器；

②OFFER：由服務器響應客戶端的DISCOVER報文，攜帶了相關配置參數；

③REQUEST：客戶端發往服務器，請求配置參數或確認原來的配置是否可用；

④ACK：服務器發往客戶端，該報文包含了所提交的配置參數；

⑤NAK：服務器發往客戶端，提示客戶端參數錯誤或租期已滿；

⑥DECLINE：客戶端發往服務器，告訴服務器IP地址已被使用；

⑦RELEASE：客戶端發往服務器，告訴服務器放棄IP地址并終止剩余租期；

⑧INFORM：客戶端發往服務器，告訴服務器已配置了網絡，僅向服務器請求本地配置參數[2]；

客戶端從服務器動態獲取IP地址，主要通過四個階段進行：

①發現階段：客戶端尋找服務器的階段。客戶端以廣播方式發送DISCOVER報文。

②提供階段：服務器提供IP地址的階段。服務器接收到客戶端的DISCOVER報文后，根據IP地址分配的規則選出一個IP地址，與其他參數一起通過OFFER報文發送給客戶端。

③選擇階段：客戶端選擇IP地址的階段。如果有多臺服務器向該客戶端發來OFFER報文，客戶端只接受第一個，然后以廣播方式發送REQUEST報文，該報文中包含服務器在OFFER報文中分配的IP地址。

④確認階段：服務器確認IP地址的階段。服務器收到REQUEST報文后，只有被選擇的服務器會進行如下操作：如果確認將該地址分配給該客戶端，則返回ACK報文；否則返回NAK報文，表明該地址不能分配給該客戶端[3]。

3.系統設計

軟件部分采用VC++6.0開發工具設計和編譯，程序運行在WindowsXP環境下，程序設計的流程如圖2所示。客戶端程序的具體實現過程主要包括：

（1）定義一個數據結構，保存程序運行中的配置參數，描述如下：

struct dhcp_frm_params

unsigned char op； // 操作類型.

unsigned char htype； // client網絡硬件協議類型.

unsigned char hlen； // client網絡硬件地址長度.

unsigned char hops； // 當前的DHCP報文經過的DHCP中繼的數量.

unsigned int tx_id； // 匹配Server的響應報文是對哪個請求報文的響應.

unsigned short seconds； // client開始DHCP請求后到現在經歷的時間.

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器的IP地址.

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

unsigned char chaddr[16]； // 記錄client的實際硬件地址內容.

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

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

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

unsigned int options_len； // options的長度.

}

（2）為了產生特定的交互報文，定義了一系列函數，主要函數描述如下：

根據配置參數，生成一個dhcp報文：

make_up_dhcp_frm（dhcp_frm_params& dhcp_frm， char* buf）；

①發送一個dhcp-discover報文；

tx_one_dhcp_disscover_frm（）；

②判斷收到報文是否是dhcp-discover報文的響應報文；

chk_dhcp_discover_response_frm（char*buf， unsigned int dataLen ）；

③發送一個dhcp-request報文；

tx_one_dhcp_request_frm（）；

④判斷收到報文是否是dhcp-request報文的響應報文；

chk_dhcp_request_response_frm（char *buf， unsigned int dataLen ）；

⑤查找dhcp-discover的響應報文；

get_dhcp_discover_response_msg（）；

⑥查找dhcp-request的響應報文；

get_dhcp_request_response_msg（）；

⑦發送免費的ARP報文，進行地址沖突檢測；

tx_one_gratis_arp_frm（）；

⑧檢測對免費ARP的響應報文；

chk_gratis_arp_response_frm（）；

⑨查找免費ARP的響應報文。

get_gratis_arp_response_msg（）。

（3）報文的收發：

當由軟件生成交互報文后，通過板卡的協議仿真通道，將數據發送出去。同時，通過檢測通道接收到的數據，獲取服務器或者其他網絡節點發送的報文。

在設計過程中，硬件部分實現創建一個協議仿真通道，執行數據的收發。軟件部分實現初始化系統數據，產生交互過程中需要的報文，保存獲取的網絡參數。

測試中使用了某國產路由器作為DHCP服務器，將板卡的一個測試端口直接與路由器相連，通過超級終端以console方式登陸路由器，配置地址池，使能路由器端口的DHCP服務器功能。啟動配置過程后，在超級終端中可以看到服務器成功為客戶端分配了IP地址，并設置了地址的過期時間。

4.結語

本文詳細介紹了DHCP客戶端如何動態獲取IP地址的過程，并基于以太網板卡的功能，實現了一個DHCP客戶端，可以用來測試從網絡中獲取地址的能力，對現有板卡的功能是一個很好的補充。

參考文獻

[1]邢國穩.工業以太網中DHCP協議應用技術分析[J].微計算機信息，2005，5：30-31.

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

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