随着网络技术和嵌入式技术的迅速发展，网络中的嵌入式移动设备大量出现。为了将嵌入式设备接入到网络中，每个嵌入式设备都必须进行基本的网络配置。嵌入式移动设备在网络中频繁的接入，需要及时更新所使用的IP地址才能正常通信；在同一个网段上，为出现的大量嵌入式移动设备配置IP地址等参数十分困难，这也导致网络中的IP地址成为稀缺资源，在这样的环境下，每个嵌入式移动设备最好能够自动获取动态IP地址等资源，使用完毕后还能够及时释放。因此，对于存在频繁接入大量嵌入式移动设备的网络，其管理和维护任务相当繁重的，需要一种机制让TCP/IP的配置和管理从用户端转移到网络管理端，实现IP的集中式管理[1-3]。

为了解决网络管理的难题，提出了一种适用于嵌入式环境的DHCP客户端的设计方法，并且在ARM环境下得以实现。这种方法适合分散控制和管理存在较大规模嵌入式设备的网络。DHCP客户端协议移植到嵌入式系统上，可以节省配置IP参数的时间，大大提高嵌入式设备的可管理性，降低了嵌入式设备手工配置IP地址所造成的管理成本和硬件成本。

1 DHCP协议和工作原理

1.1 DHCP协议

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)即动态主机配置协议，是一个局域网的网络协议。为了减轻TCP/IP网络的规划、管理和维护负担，解决IP地址空间缺乏问题，DHCP为内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址，为用户或者内部网络管理员提供对所有计算机进行中央管理的手段[4]。

DHCP是用于给多个客户计算机集中分配IP地址以及相关的配置参数的协议，这样就能将IP地址和TCP/IP的设置统一管理起来，从而避免不必要的地址冲突问题。该协议常常用在网络中对众多计算机的管理，以减少网络管理员手工设置和分配地址的负担。主机使用DHCP协议可以通过DHCP服务器得到IP地址、默认网关和DNS服务器等信息，从而大大减少了用户的手动配置工作量，同时DHCP服务器能够及时回收不用的IP地址，从而提高IP地址的利用率。

1.2 DHCP工作原理

DHCP的工作主要分为以下阶段[5]：

（1）DHCP客户端寻找DHCP服务器阶段；

（2）DHCP服务器提供IP地址阶段；

（3）DHCP客户端选择IP地址阶段；

（4）DHCP服务器确认所提供的IP地址阶段；

（5）租约确认阶段；

（6）DHCP客户端再次登录网络时，直接发送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request请求信息。

DHCP客户端使用DHCP获取其IP地址的过程中，共有6种状态。各个状态之间的转换以及引起状态转换的事件和报文如图1所示。DHCP客户端第一次启动时，便进入初始化状态。为了获取一个IP地址，它会向所有服务器广播一个DHCP discover报文，并进入选择状态。处于选择状态时，它从DHCP服务器收集DHCP offer响应，并选择一个服务器向其发送DHCP request报文，进入请求状态。DHCP服务器确认请求后，发出DHCP ack报文，DHCP客户端收到确认消息后转移到已绑定状态。当需要重新续约时，DHCP客户端发送DHCP request报文并转移到更新状态。DHCP客户端可以随时发送DHCP release报文，返回初始化状态。进入更新状态后，DHCP客户端发送DHCP nack报文，返回初始化状态；如果租用期超过阈值，DHCP客户端发送DHCP request报文并转移到重绑定状态。进入重绑定状态后，如果租期到期或发送DHCP nack报文，则返回初始化状态。

2 DHCP客户端的实现

2.1 开发环境

设计DHCP客户端软件的难点是DHCP客户端在嵌入式系统上的移植[6]，其中前台技术采用B/S模式。Fedora是一个基于Linux的独立操作系统，具有开放性、创新性和前瞻性。它允许任何人自由地使用、修改和重新发布，可以运行在多种体系结构上。因此，本文选择Fedora操作系统作为开发平台。

为了能够编译、链接、处理和调试跨越平台体系结构的程序代码，使用交叉开发工具链和不同的参数[7]。编译环境为在X86系列的处理器平台上编译出能运行在ARM构架的处理器平台上的程序所需要的编译工具。构建交叉编译环境首先要确定目标平台。在GNU系统中，每个目标平台都有一个明确的格式，这些信息用于在构建过程中识别要使用的不同工具的正确版本。本系统的移植平台是基于ARM9的嵌入式系统，开发板S3C2440所配内核已为最新的Linux-2.6.32.2，交叉编译器统一为arm-linux-gcc-4.3.2。

2.2 DHCP客户端软件设计

DHCP客户端软件主要是用来完成状态跳转以及发送和接收DHCP包的任务，同时记录时间，在未到达指定时刻时，对程序实行有效的阻塞。根据这些需求，可以采用死循环与选择状态函数结合的方法。选择状态函数用来侦听与服务器连接的socket端口的变化情况。当选择状态函数侦听的socket端口发生变化时，处理相应接收报文；当socket端口没有发生变化时，将相应报文作发送处理。DHCP客户端软件中各个函数之间的调用关系如图2所示。

由上面分析可知，DHCP客户端软件主要由相互独立的若干子函数组成，主函数主要用来对子函数进行调用，每次执行完一个函数后，返回一个要执行的函数的地址，继续执行。下面介绍5个主要子函数：

(1)初始化函数的流程图如图3所示，主要用来对DHCP客户端进行初始化，发送discover报文。如果发送成功，返回选择状态函数的地址；否则，停止DHCP。

(2)请求函数的流程图如图4所示。DHCP客户端接收服务器的DHCP ack报文，如果接收失败，返回初始化函数地址；否则，对服务器提供的IP地址进行验证，如果校验失败，发送declient报文并返回初始化函数地址；否则配置DHCP；如果配置成功，客户端转换到绑定状态函数；否则，停止DHCP。

(3)绑定函数的流程图如图5所示。DHCP客户端将从服务器获取到的IP设置成网卡的地址，DHCP客户端进入更新状态，等待服务器超时。

(4)更新函数的流程图如图6所示。DHCP客户端在IP租约定时器超时的时候，向服务器发送DHCP request报文，进行续约。

(5)重绑定函数的流程图如图7所示，当DHCP客户端在IP租约到达80%时，若服务器还没有回应DHCP ack报文，则DHCP客户端广播DHCP request报文。若在原租约期到期时，DHCP客户端收到了DHCP ack报文，则客户端进入绑定状态；否则转换到初始化状态。

3 测试结果与分析

DHCP客户端软件对硬件方面并没有极其严格的要求，为了进行测试，选用的计算机型号为三星R458，ARM9型号为S3C2440。DHCP客户端软件的测试步骤如下：

(1)将编译成功的DHCP客户端软件复制到U盘上，并将DHCP源代码中client目录下的dhclient-script和client.conf下载到U盘中；

(2)启动ARM9，进入系统后，插入U盘，挂载U盘成功后，把U盘中的dhclient-scrip和client.conf下载到/etc目录下并修改权限，把DHCP客户端软件复制到/sbin目录下并修改权限；

(3)在/sbin中，运行DHCP客户端软件，命令为dhc-

lient eth0。

通过以上步骤可以得到DHCP客户端软件的运行结果，如图8所示。

此外，通过对测试数据的分析可以得到以下结论：

(1)为了增加系统配置的灵活性，mac地址、主机名的设置是在系统启动时的配置文件rcs中设置的，配置脚本如下：

ifconfig eth0

ifconfig eth0 hw ether 0A:08:09:17:14:13

ifconfig eth0 up

(2)为了使设备的DHCP客户端正确运行，在编译Linux内核时，还需要在网络设置部分添加以下选项：

Networking——>

[*]Networking support——>

Networking options——>

<*>Packet socket

[*] IP:DHCP support

[*]Network packet filtering(replaces ipchains)

分别添加数据包socket、IP、DHCP支持和网络数据包过滤选项，其中网络数据包过滤后面子选项可不选。

(3)在S3C2440自带的嵌入式系统上，上述第二项，必须进行内核编译，否则DHCP客户端不能直接运行。

(4)在适合S3C2440的Android系统上，DHCP客户端程序能正常运行。