摘  要： 為了解決嵌入式設(shè)備無法自動(dòng)獲取或釋放IP的問題，針對(duì)ARM9（S3C2440）嵌入式開發(fā)板，在Fedora操作系統(tǒng)上，配置了交叉編譯環(huán)境，編寫了動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）客戶端程序代碼。利用交叉編譯環(huán)境對(duì)其進(jìn)行編譯，將編譯成功產(chǎn)生的程序移植到以ARM9開發(fā)板為核心的嵌入式操作系統(tǒng)上。測(cè)試結(jié)果表明，該軟件可以在ARM9處理器的Linux和Android嵌入式操作系統(tǒng)上運(yùn)行，在嵌入式設(shè)備開機(jī)時(shí)，軟件自動(dòng)運(yùn)行，廣播發(fā)送報(bào)文尋找DHCP服務(wù)器，自動(dòng)獲取IP后，動(dòng)態(tài)配置嵌入式設(shè)備的IP及各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議；嵌入式系統(tǒng)；交叉編譯

    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的嵌入式移動(dòng)設(shè)備大量出現(xiàn)。為了將嵌入式設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)嵌入式設(shè)備都必須進(jìn)行基本的網(wǎng)絡(luò)配置。嵌入式移動(dòng)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中頻繁的接入，需要及時(shí)更新所使用的IP地址才能正常通信；在同一個(gè)網(wǎng)段上，為出現(xiàn)的大量嵌入式移動(dòng)設(shè)備配置IP地址等參數(shù)十分困難，這也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的IP地址成為稀缺資源，在這樣的環(huán)境下，每個(gè)嵌入式移動(dòng)設(shè)備最好能夠自動(dòng)獲取動(dòng)態(tài)IP地址等資源，使用完畢后還能夠及時(shí)釋放。因此，對(duì)于存在頻繁接入大量嵌入式移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，其管理和維護(hù)任務(wù)相當(dāng)繁重的，需要一種機(jī)制讓TCP/IP的配置和管理從用戶端轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)管理端，實(shí)現(xiàn)IP的集中式管理[1-3]。
    為了解決網(wǎng)絡(luò)管理的難題，提出了一種適用于嵌入式環(huán)境的DHCP客戶端的設(shè)計(jì)方法，并且在ARM環(huán)境下得以實(shí)現(xiàn)。這種方法適合分散控制和管理存在較大規(guī)模嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。DHCP客戶端協(xié)議移植到嵌入式系統(tǒng)上，可以節(jié)省配置IP參數(shù)的時(shí)間，大大提高嵌入式設(shè)備的可管理性，降低了嵌入式設(shè)備手工配置IP地址所造成的管理成本和硬件成本。
1 DHCP協(xié)議和工作原理
1.1 DHCP協(xié)議
    DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)即動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。為了減輕TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、管理和維護(hù)負(fù)擔(dān)，解決IP地址空間缺乏問題，DHCP為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動(dòng)分配IP地址，為用戶或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員提供對(duì)所有計(jì)算機(jī)進(jìn)行中央管理的手段[4]。
    DHCP是用于給多個(gè)客戶計(jì)算機(jī)集中分配IP地址以及相關(guān)的配置參數(shù)的協(xié)議，這樣就能將IP地址和TCP/IP的設(shè)置統(tǒng)一管理起來，從而避免不必要的地址沖突問題。該協(xié)議常常用在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)眾多計(jì)算機(jī)的管理，以減少網(wǎng)絡(luò)管理員手工設(shè)置和分配地址的負(fù)擔(dān)。主機(jī)使用DHCP協(xié)議可以通過DHCP服務(wù)器得到IP地址、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和DNS服務(wù)器等信息，從而大大減少了用戶的手動(dòng)配置工作量，同時(shí)DHCP服務(wù)器能夠及時(shí)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(wù)器階段；
    （2）DHCP服務(wù)器提供IP地址階段；
    （3）DHCP客戶端選擇IP地址階段；
    （4）DHCP服務(wù)器確認(rèn)所提供的IP地址階段；
    （5）租約確認(rèn)階段；
    （6）DHCP客戶端再次登錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)，直接發(fā)送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request請(qǐng)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(tài)。各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換以及引起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件和報(bào)文如圖1所示。DHCP客戶端第一次啟動(dòng)時(shí)，便進(jìn)入初始化狀態(tài)。為了獲取一個(gè)IP地址，它會(huì)向所有服務(wù)器廣播一個(gè)DHCP discover報(bào)文，并進(jìn)入選擇狀態(tài)。處于選擇狀態(tài)時(shí)，它從DHCP服務(wù)器收集DHCP offer響應(yīng)，并選擇一個(gè)服務(wù)器向其發(fā)送DHCP request報(bào)文，進(jìn)入請(qǐng)求狀態(tài)。DHCP服務(wù)器確認(rèn)請(qǐng)求后，發(fā)出DHCP ack報(bào)文，DHCP客戶端收到確認(rèn)消息后轉(zhuǎn)移到已綁定狀態(tài)。當(dāng)需要重新續(xù)約時(shí)，DHCP客戶端發(fā)送DHCP request報(bào)文并轉(zhuǎn)移到更新狀態(tài)。DHCP客戶端可以隨時(shí)發(fā)送DHCP release報(bào)文，返回初始化狀態(tài)。進(jìn)入更新狀態(tài)后，DHCP客戶端發(fā)送DHCP nack報(bào)文，返回初始化狀態(tài)；如果租用期超過閾值，DHCP客戶端發(fā)送DHCP request報(bào)文并轉(zhuǎn)移到重綁定狀態(tài)。進(jìn)入重綁定狀態(tài)后，如果租期到期或發(fā)送DHCP nack報(bào)文，則返回初始化狀態(tài)。

2 DHCP客戶端的實(shí)現(xiàn)
2.1 開發(fā)環(huán)境
    設(shè)計(jì)DHCP客戶端軟件的難點(diǎn)是DHCP客戶端在嵌入式系統(tǒng)上的移植[6]，其中前臺(tái)技術(shù)采用B/S模式。Fedora是一個(gè)基于Linux的獨(dú)立操作系統(tǒng)，具有開放性、創(chuàng)新性和前瞻性。它允許任何人自由地使用、修改和重新發(fā)布，可以運(yùn)行在多種體系結(jié)構(gòu)上。因此，本文選擇Fedora操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)。
    為了能夠編譯、鏈接、處理和調(diào)試跨越平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)的程序代碼，使用交叉開發(fā)工具鏈和不同的參數(shù)[7]。編譯環(huán)境為在X86系列的處理器平臺(tái)上編譯出能運(yùn)行在ARM構(gòu)架的處理器平臺(tái)上的程序所需要的編譯工具。構(gòu)建交叉編譯環(huán)境首先要確定目標(biāo)平臺(tái)。在GNU系統(tǒng)中，每個(gè)目標(biāo)平臺(tái)都有一個(gè)明確的格式，這些信息用于在構(gòu)建過程中識(shí)別要使用的不同工具的正確版本。本系統(tǒng)的移植平臺(tái)是基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)板S3C2440所配內(nèi)核已為最新的Linux-2.6.32.2，交叉編譯器統(tǒng)一為arm-linux-gcc-4.3.2。
2.2 DHCP客戶端軟件設(shè)計(jì)
    DHCP客戶端軟件主要是用來完成狀態(tài)跳轉(zhuǎn)以及發(fā)送和接收DHCP包的任務(wù)，同時(shí)記錄時(shí)間，在未到達(dá)指定時(shí)刻時(shí)，對(duì)程序?qū)嵭杏行У淖枞?。根?jù)這些需求，可以采用死循環(huán)與選擇狀態(tài)函數(shù)結(jié)合的方法。選擇狀態(tài)函數(shù)用來偵聽與服務(wù)器連接的socket端口的變化情況。當(dāng)選擇狀態(tài)函數(shù)偵聽的socket端口發(fā)生變化時(shí)，處理相應(yīng)接收?qǐng)?bào)文；當(dāng)socket端口沒有發(fā)生變化時(shí)，將相應(yīng)報(bào)文作發(fā)送處理。DHCP客戶端軟件中各個(gè)函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)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(dú)立的若干子函數(shù)組成，主函數(shù)主要用來對(duì)子函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，每次執(zhí)行完一個(gè)函數(shù)后，返回一個(gè)要執(zhí)行的函數(shù)的地址，繼續(xù)執(zhí)行。下面介紹5個(gè)主要子函數(shù)：
    (1)初始化函數(shù)的流程圖如圖3所示，主要用來對(duì)DHCP客戶端進(jìn)行初始化，發(fā)送discover報(bào)文。如果發(fā)送成功，返回選擇狀態(tài)函數(shù)的地址；否則，停止DHCP。
    (2)請(qǐng)求函數(shù)的流程圖如圖4所示。DHCP客戶端接收服務(wù)器的DHCP ack報(bào)文，如果接收失敗，返回初始化函數(shù)地址；否則，對(duì)服務(wù)器提供的IP地址進(jìn)行驗(yàn)證，如果校驗(yàn)失敗，發(fā)送declient報(bào)文并返回初始化函數(shù)地址；否則配置DHCP；如果配置成功，客戶端轉(zhuǎn)換到綁定狀態(tài)函數(shù)；否則，停止DHCP。
    (3)綁定函數(shù)的流程圖如圖5所示。DHCP客戶端將從服務(wù)器獲取到的IP設(shè)置成網(wǎng)卡的地址，DHCP客戶端進(jìn)入更新狀態(tài)，等待服務(wù)器超時(shí)。
    (4)更新函數(shù)的流程圖如圖6所示。DHCP客戶端在IP租約定時(shí)器超時(shí)的時(shí)候，向服務(wù)器發(fā)送DHCP request報(bào)文，進(jìn)行續(xù)約。

    (5)重綁定函數(shù)的流程圖如圖7所示，當(dāng)DHCP客戶端在IP租約到達(dá)80%時(shí)，若服務(wù)器還沒有回應(yīng)DHCP ack報(bào)文，則DHCP客戶端廣播DHCP request報(bào)文。若在原租約期到期時(shí)，DHCP客戶端收到了DHCP ack報(bào)文，則客戶端進(jìn)入綁定狀態(tài)；否則轉(zhuǎn)換到初始化狀態(tài)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析
    DHCP客戶端軟件對(duì)硬件方面并沒有極其嚴(yán)格的要求，為了進(jìn)行測(cè)試，選用的計(jì)算機(jī)型號(hào)為三星R458，ARM9型號(hào)為S3C2440。DHCP客戶端軟件的測(cè)試步驟如下：
    (1)將編譯成功的DHCP客戶端軟件復(fù)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(dòng)ARM9，進(jìn)入系統(tǒng)后，插入U(xiǎn)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(quán)限，把DHCP客戶端軟件復(fù)制到/sbin目錄下并修改權(quán)限；
    (3)在/sbin中，運(yùn)行DHCP客戶端軟件，命令為dhc-
lient eth0。
    通過以上步驟可以得到DHCP客戶端軟件的運(yùn)行結(jié)果，如圖8所示。

    此外，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以得到以下結(jié)論：
    (1)為了增加系統(tǒng)配置的靈活性，mac地址、主機(jī)名的設(shè)置是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的配置文件rcs中設(shè)置的，配置腳本如下：
    ifconfig eth0
    ifconfig eth0 hw ether 0A:08:09:17:14:13
    ifconfig eth0 up
    (2)為了使設(shè)備的DHCP客戶端正確運(yùn)行，在編譯Linux內(nèi)核時(shí)，還需要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置部分添加以下選項(xiàng)：
    Networking——>
       [*]Networking support——>
        Networking options——>
           <*>Packet socket
            [*]  IP:DHCP support
            [*]Network packet filtering(replaces ipchains)
    分別添加數(shù)據(jù)包socket、IP、DHCP支持和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾選項(xiàng)，其中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾后面子選項(xiàng)可不選。
    (3)在S3C2440自帶的嵌入式系統(tǒng)上，上述第二項(xiàng)，必須進(jìn)行內(nèi)核編譯，否則DHCP客戶端不能直接運(yùn)行。
    (4)在適合S3C2440的Android系統(tǒng)上，DHCP客戶端程序能正常運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 方華，李超.基于ARM平臺(tái)的嵌入式DHCP協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，2009，15(4)：70-77.
[4] 王文龍，黃地龍.DHCP協(xié)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(tǒng)的DHCP研究[J].九江學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，26(3)：22-26.
[6] 葉培順.嵌入式Linux在S3C2440上的移植[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(15)：111-113.
[7] 樊濱溫，崔志強(qiáng).DHCP協(xié)議客戶端的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007，24(11)：143-145.