摘 要： 為了解決嵌入式設備無法自動獲取或釋放IP的問題，針對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，編寫了動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）客戶端程序代碼。利用交叉編譯環(huán)境對其進行編譯，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)上運行，在嵌入式設備開機時，軟件自動運行，廣播發(fā)送報文尋找DHCP服務器，自動獲取IP后，動態(tài)配置嵌入式設備的IP及各項網(wǎng)絡參數(shù)。
關(guān)鍵詞： 動態(tài)主機配置協(xié)議；嵌入式系統(tǒng)；交叉編譯
隨著網(wǎng)絡技術(shù)和嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡中的嵌入式移動設備大量出現(xiàn)。為了將嵌入式設備接入到網(wǎng)絡中，每個嵌入式設備都必須進行基本的網(wǎng)絡配置。嵌入式移動設備在網(wǎng)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(wǎng)段上，為出現(xiàn)的大量嵌入式移動設備配置IP地址等參數(shù)十分困難，這也導致網(wǎng)絡中的IP地址成為稀缺資源，在這樣的環(huán)境下，每個嵌入式移動設備最好能夠自動獲取動態(tài)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(wǎng)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(zhuǎn)移到網(wǎng)絡管理端，實現(xiàn)IP的集中式管理[1-3]。
為了解決網(wǎng)絡管理的難題，提出了一種適用于嵌入式環(huán)境的DHCP客戶端的設計方法，并且在ARM環(huán)境下得以實現(xiàn)。這種方法適合分散控制和管理存在較大規(guī)模嵌入式設備的網(wǎng)絡。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(xié)議和工作原理
1.1 DHCP協(xié)議
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)即動態(tài)主機配置協(xié)議，是一個局域網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議。為了減輕TCP/IP網(wǎng)絡的規(guī)劃、管理和維護負擔，解決IP地址空間缺乏問題，DHCP為內(nèi)部網(wǎng)絡或網(wǎng)絡服務供應商自動分配IP地址，為用戶或者內(nèi)部網(wǎng)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(guān)的配置參數(shù)的協(xié)議，這樣就能將IP地址和TCP/IP的設置統(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)絡中對眾多計算機的管理，以減少網(wǎng)絡管理員手工設置和分配地址的負擔。主機使用DHCP協(xié)議可以通過DHCP服務器得到IP地址、默認網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡時，直接發(fā)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(tài)。各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換以及引起狀態(tài)轉(zhuǎn)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(tài)。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(tài)。處于選擇狀態(tài)時，它從DHCP服務器收集DHCP offer響應，并選擇一個服務器向其發(fā)送DHCP request報文，進入請求狀態(tài)。DHCP服務器確認請求后，發(fā)出DHCP ack報文，DHCP客戶端收到確認消息后轉(zhuǎn)移到已綁定狀態(tài)。當需要重新續(xù)約時，DHCP客戶端發(fā)送DHCP request報文并轉(zhuǎn)移到更新狀態(tài)。DHCP客戶端可以隨時發(fā)送DHCP release報文，返回初始化狀態(tài)。進入更新狀態(tài)后，DHCP客戶端發(fā)送DHCP nack報文，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報文并轉(zhuǎn)移到重綁定狀態(tài)。進入重綁定狀態(tài)后，如果租期到期或發(fā)送DHCP nack報文，則返回初始化狀態(tài)。
2 DHCP客戶端的實現(xiàn)
2.1 開發(fā)環(huán)境
設計DHCP客戶端軟件的難點是DHCP客戶端在嵌入式系統(tǒng)上的移植[6]，其中前臺技術(shù)采用B/S模式。Fedora是一個基于Linux的獨立操作系統(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。
為了能夠編譯、鏈接、處理和調(diào)試跨越平臺體系結(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系列的處理器平臺上編譯出能運行在ARM構(gòu)架的處理器平臺上的程序所需要的編譯工具。構(gòu)建交叉編譯環(huán)境首先要確定目標平臺。在GNU系統(tǒng)中，每個目標平臺都有一個明確的格式，這些信息用于在構(gòu)建過程中識別要使用的不同工具的正確版本。本系統(tǒng)的移植平臺是基于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客戶端軟件設計
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，同時記錄時間，在未到達指定時刻時，對程序?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)用來偵聽與服務器連接的socket端口的變化情況。當選擇狀態(tài)函數(shù)偵聽的socket端口發(fā)生變化時，處理相應接收報文；當socket端口沒有發(fā)生變化時，將相應報文作發(fā)送處理。DHCP客戶端軟件中各個函數(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立的若干子函數(shù)組成，主函數(shù)主要用來對子函數(shù)進行調(diào)用，每次執(zhí)行完一個函數(shù)后，返回一個要執(zhí)行的函數(shù)的地址，繼續(xù)執(zhí)行。下面介紹5個主要子函數(shù)：
(1)初始化函數(shù)的流程圖如圖3所示，主要用來對DHCP客戶端進行初始化，發(fā)送discover報文。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)請求函數(shù)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(shù)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(fā)送declient報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客戶端將從服務器獲取到的IP設置成網(wǎng)卡的地址，DHCP客戶端進入更新狀態(tài)，等待服務器超時。
(4)更新函數(shù)的流程圖如圖6所示。DHCP客戶端在IP租約定時器超時的時候，向服務器發(fā)送DHCP request報文，進行續(xù)約。
(5)重綁定函數(shù)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(tài)；否則轉(zhuǎn)換到初始化狀態(tài)。
3 測試結(jié)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：
(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(tǒng)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(quán)限，把DHCP客戶端軟件復制到/sbin目錄下并修改權(quán)限；
(3)在/sbin中，運行DHCP客戶端軟件，命令為dhc-
lient eth0。
通過以上步驟可以得到DHCP客戶端軟件的運行結(jié)果，如圖8所示。
此外，通過對測試數(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、主機名的設置是在系統(tǒng)啟動時的配置文件rcs中設置的，配置腳本如下：
ifconfig eth0
ifconfig eth0 hw ether 0A:08:09:17:14:13
ifconfig eth0 up
(2)為了使設備的DHCP客戶端正確運行，在編譯Linux內(nèi)核時，還需要在網(wǎng)絡設置部分添加以下選項：
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)絡數(shù)據(jù)包過濾選項，其中網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包過濾后面子選項可不選。
(3)在S3C2440自帶的嵌入式系統(tǒng)上，上述第二項，必須進行內(nèi)核編譯，否則DHCP客戶端不能直接運行。
(4)在適合S3C2440的Android系統(tǒng)上，DHCP客戶端程序能正常運行。
參考文獻
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