嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的 “捷徑” ——DHCP 詳解

大家好，我是雜燴君。之前我們分享的：嵌入式Linux設(shè)備開(kāi)啟無(wú)線AP/無(wú)線接入點(diǎn)中有用到udhcpd。

udhcpd?是一個(gè)輕量級(jí)的 DHCP （Dynamic Host Configuration Protocol，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。通常用于資源受限的嵌入式系統(tǒng)或小型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

它是 Universal DHCP Daemon 的縮寫(xiě)，旨在為設(shè)備提供基本的 DHCP 服務(wù)，具有占用資源少、配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

本篇文章我們來(lái)分享DHCP的相關(guān)知識(shí)。

一、DHCP 是什么？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，DHCP 就像網(wǎng)絡(luò)世界里的 “貼心管家”。

在一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，比如智能家居系統(tǒng)，有大量設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)設(shè)備要正常聯(lián)網(wǎng)，都得有個(gè)獨(dú)一無(wú)二的 IP 地址，就好比每棟房子都要有唯一的門牌號(hào)，這樣數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確送達(dá)。

DHCP 的職責(zé)，就是自動(dòng)給這些設(shè)備分配 IP 地址，同時(shí)提供子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS 服務(wù)器地址等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)配置信息，讓設(shè)備能迅速、無(wú)誤地接入網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需人工干預(yù)。減少人為錯(cuò)誤，還能靈活應(yīng)對(duì)設(shè)備移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展等變化。

二、DHCP 的工作流程

DHCP 的工作流程可分為四個(gè)關(guān)鍵階段：發(fā)現(xiàn)（Discover）、提供（Offer）、請(qǐng)求（Request）和確認(rèn)（Ack）。

假設(shè)智能部署了大量嵌入式設(shè)備，用于生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備控制等。現(xiàn)在，新一批智能傳感器到貨，需要接入工廠的局域網(wǎng)。工廠網(wǎng)絡(luò)中有一臺(tái) DHCP 服務(wù)器，負(fù)責(zé)為所有設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)配置。

1. 發(fā)現(xiàn)階段（Discover）

當(dāng)新的智能傳感器首次接入工廠網(wǎng)絡(luò)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一無(wú)所知，不知道 DHCP 服務(wù)器在哪。

于是，傳感器會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一個(gè)特殊的廣播包，這個(gè)包就像在大聲呼喊：“有沒(méi)有 DHCP 服務(wù)器呀？我需要上網(wǎng)，請(qǐng)給我分配網(wǎng)絡(luò)配置！”

廣播包的目的 IP 地址是 255.255.255.255，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都能收到，但只有 DHCP 服務(wù)器會(huì)響應(yīng)。

2. 提供階段（Offer）

工廠網(wǎng)絡(luò)中的 DHCP 服務(wù)器收到傳感器的 Discover 包后，會(huì)從預(yù)先設(shè)定的 IP 地址池中挑選一個(gè)尚未分配的 IP 地址，然后向傳感器發(fā)送一個(gè) Offer 包。

這個(gè) Offer 包就像 DHCP 服務(wù)器在回應(yīng)：“我這兒有個(gè) IP 地址，給你用吧，還有配套的網(wǎng)絡(luò)配置信息。”

Offer 包中除了分配的 IP 地址，還包含子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS 服務(wù)器地址等。同時(shí)，DHCP 服務(wù)器會(huì)在內(nèi)部記錄中標(biāo)記這個(gè) IP 地址已預(yù)分配給該傳感器。

3. 請(qǐng)求階段（Request）

智能傳感器可能會(huì)收到多個(gè) DHCP 服務(wù)器的 Offer 包（雖然在工廠這種單一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中不太常見(jiàn)，但在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中可能發(fā)生）。

不管收到幾個(gè)，傳感器只會(huì)選擇其中一個(gè) Offer 包，并向?qū)?yīng)的 DHCP 服務(wù)器發(fā)送一個(gè) Request 包，意思是：“我就要你給的這個(gè) IP 地址啦！” 這個(gè) Request 包同樣是廣播包，目的是通知網(wǎng)絡(luò)中的其他 DHCP 服務(wù)器，自己已選定 IP 地址，其他服務(wù)器可收回它們提供的地址。

4. 確認(rèn)階段（Ack）

DHCP 服務(wù)器收到傳感器的 Request 包后，會(huì)發(fā)送一個(gè) Ack 包給傳感器，相當(dāng)于回應(yīng)：“好的，這個(gè) IP 地址歸你用了，配置信息確認(rèn)無(wú)誤?！盇ck 包再次包含完整的網(wǎng)絡(luò)配置信息，確認(rèn)傳感器可使用該 IP 地址。此時(shí)，傳感器成功獲取 IP 地址和其他配置，能正常接入工廠網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集和傳輸工作。

三、在嵌入式開(kāi)發(fā)中使用 DHCP

在基于 Linux 的嵌入式開(kāi)發(fā)中，使用 DHCP 同樣能極大簡(jiǎn)化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)配置流程。我們可以通過(guò)udhcpd來(lái)實(shí)現(xiàn) DHCP 功能。

udhcpd的配置文件可參考udhcpd源碼下的udhcpd.conf：

我們只保留如下內(nèi)容：

# The start?and?end of the IP lease block
start ? ? ? ? ??192.168.3.2
end ? ? ? ? ? ??192.168.3.254

# The interface that udhcpd will use
interface ? ? ? wlan0

opt ? ? dns ? ??114.114.114.114
option ?subnet ?255.255.255.0
opt ? ? router ?192.168.3.1
option ?domain ?local
option ?lease ??864000? ? ?#?10?days of seconds

該文件主要配置了：

所能分配的IP地址的范圍為：192.168.3.2~192.168.3.254網(wǎng)卡接口：wlan0網(wǎng)關(guān)地址：192.168.3.1