基于以太网板卡的DHCP客户端的设计

张奎

【摘要】DHCP是为了实现TCP/IP网络参数的自动分配而设计的，本文深入分析DHCP工作原理，在以太网板卡的基础上，设计了一个DHCP客户端，从而实现了板卡端口的地址自动配置。

【关键词】DHCP客户端；以太网板卡；设计

1.引言

随着网络技术的发展，TCP/IP网络与人们的工作与生活越来越紧密的联系在一起。为确保网络通信的正常进行，需要配置IP地址等网络参数。目前，IP地址分配主要采用手动分配和自动分配的方式。其中，手动分配的地址将被长期占用，导致地址利用率低。而自动分配则是由处于网络中的服务器分配地址，这种方式将手工配置IP地址所导致的错误减少到最低程度[1]。

IETF设计的动态主机配置协议（DHCP）正是这样一种动态分配机制。本文将阐述利用以太网板卡的现有功能，设计一个DHCP客户端，从而使板卡的每个端口可以动态获取IP地址等网络参数。

2.DHCP原理

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol），是一种动态向网络终端提供配置参数的协议。DHCP使用客户端/服务器模式，请求配置信息的终端被称为DHCP客户端，而提供配置信息的被称为DHCP服务器。

DHCP客户端和服务器之间的交互通过以下8种类型的报文来实现：

①DISCOVER：由客户端广播，寻找可达的服务器；

②OFFER：由服务器响应客户端的DISCOVER报文，携带了相关配置参数；

③REQUEST：客户端发往服务器，请求配置参数或确认原来的配置是否可用；

④ACK：服务器发往客户端，该报文包含了所提交的配置参数；

⑤NAK：服务器发往客户端，提示客户端参数错误或租期已满；

⑥DECLINE：客户端发往服务器，告诉服务器IP地址已被使用；

⑦RELEASE：客户端发往服务器，告诉服务器放弃IP地址并终止剩余租期；

⑧INFORM：客户端发往服务器，告诉服务器已配置了网络，仅向服务器请求本地配置参数[2]；

客户端从服务器动态获取IP地址，主要通过四个阶段进行：

①发现阶段：客户端寻找服务器的阶段。客户端以广播方式发送DISCOVER报文。

②提供阶段：服务器提供IP地址的阶段。服务器接收到客户端的DISCOVER报文后，根据IP地址分配的规则选出一个IP地址，与其他参数一起通过OFFER报文发送给客户端。

③选择阶段：客户端选择IP地址的阶段。如果有多台服务器向该客户端发来OFFER报文，客户端只接受第一个，然后以广播方式发送REQUEST报文，该报文中包含服务器在OFFER报文中分配的IP地址。

④确认阶段：服务器确认IP地址的阶段。服务器收到REQUEST报文后，只有被选择的服务器会进行如下操作：如果确认将该地址分配给该客户端，则返回ACK報文；否则返回NAK报文，表明该地址不能分配给该客户端[3]。

3.系统设计

软件部分采用VC++6.0开发工具设计和编译，程序运行在WindowsXP环境下，程序设计的流程如图2所示。客户端程序的具体实现过程主要包括：

（1）定义一个数据结构，保存程序运行中的配置参数，描述如下：

struct dhcp_frm_params

unsigned char op； // 操作类型.

unsigned char htype； // client网络硬件协议类型.

unsigned char hlen； // client网络硬件地址长度.

unsigned char hops； // 当前的DHCP报文经过的DHCP中继的数量.

unsigned int tx_id； // 匹配Server的响应报文是对哪个请求报文的响应.

unsigned short seconds； // client开始DHCP请求后到现在经历的时间.

unsigned short flags；

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

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

unsigned char siaddr[4]； // client获取配置信息的服务器的IP地址.

unsigned char giaddr[4]； // 记录第一个DHCP中继的IP地址.

unsigned char chaddr[16]； // 记录client的实际硬件地址内容.

signed char sname[64]； // client获取配置信息的服务器的名称.

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

unsigned char* options； // 包含大量可选的终端初始配置信息.

unsigned int options_len； // options的长度.

}

（2）为了产生特定的交互报文，定义了一系列函数，主要函数描述如下：

根据配置参数，生成一个dhcp报文：

make_up_dhcp_frm（dhcp_frm_params& dhcp_frm， char* buf）；

①发送一个dhcp-discover报文；

tx_one_dhcp_disscover_frm（）；

②判断收到报文是否是dhcp-discover报文的响应报文；

chk_dhcp_discover_response_frm（char*buf， unsigned int dataLen ）；

③发送一个dhcp-request报文；

tx_one_dhcp_request_frm（）；

④判断收到报文是否是dhcp-request报文的响应报文；

chk_dhcp_request_response_frm（char *buf， unsigned int dataLen ）；

⑤查找dhcp-discover的响应报文；

get_dhcp_discover_response_msg（）；

⑥查找dhcp-request的响应报文；

get_dhcp_request_response_msg（）；

⑦發送免费的ARP报文，进行地址冲突检测；

tx_one_gratis_arp_frm（）；

⑧检测对免费ARP的响应报文；

chk_gratis_arp_response_frm（）；

⑨查找免费ARP的响应报文。

get_gratis_arp_response_msg（）。

（3）报文的收发：

当由软件生成交互报文后，通过板卡的协议仿真通道，将数据发送出去。同时，通过检测通道接收到的数据，获取服务器或者其他网络节点发送的报文。

在设计过程中，硬件部分实现创建一个协议仿真通道，执行数据的收发。软件部分实现初始化系统数据，产生交互过程中需要的报文，保存获取的网络参数。

测试中使用了某国产路由器作为DHCP服务器，将板卡的一个测试端口直接与路由器相连，通过超级终端以console方式登陆路由器，配置地址池，使能路由器端口的DHCP服务器功能。启动配置过程后，在超级终端中可以看到服务器成功为客户端分配了IP地址，并设置了地址的过期时间。

4.结语

本文详细介绍了DHCP客户端如何动态获取IP地址的过程，并基于以太网板卡的功能，实现了一个DHCP客户端，可以用来测试从网络中获取地址的能力，对现有板卡的功能是一个很好的补充。

参考文献

[1]邢国稳.工业以太网中DHCP协议应用技术分析[J].微计算机信息，2005，5：30-31.

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

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