摘 要：隨著網絡規模的日益擴大以及人們對網絡的移動性的要求越來越高，如果仍采用靜態地址分配的方法進行IP管理，會給用戶帶來諸多不便，也給網絡管理員增加很多工作量。采用動態主機配置技術進行IP管理、可以很好地解決這些問題。文章簡要地介紹了DHCP技術的工作原理，以及DHCP技術在工業以太網中的應用。實踐表明，DHCP技術對管理大規模的以及對網絡移動性要求高的網絡系統具有重要的意義。

關鍵詞：工業以太網; DHCP; TCP/IP

1 引言

TCP/IP技術成功地構造了信息高速通道——互聯網，對社會發展和人類生產產生了重大影響。在該項技術迅速發展與不斷成熟的同時，也深刻影響著相關領域的技術發展。基于TCP/IP的工業以太網就受到TCP/IP技術的深刻影響，近年來得到了迅速發展和廣泛應用，成為倍受關注的自控新技術。改進后的工業以太網具有實時性、穩定性、通用性、開放性等特點，它符合現場總線的發展趨勢。該項技術除通信速率高以外，同時還可以使自控設備向互聯網發布網頁信息，用戶也可以通過Web瀏覽器，監控現場數據和設備。這些新型的技術是以往現場總線技術不具備的。以往現場總線技術把注意力主要放在滿足控制的實時性，工業環境的抗干擾等要求上，并且通信速率很低。相比之下，基于TCP/IP的工業以太網具有廣闊的應用前景和發展潛力。

DHCP（Dynamic Host Configration Protocol）的全稱是動態主機配置協議，是由國際標準化組織頒布的一種簡化主機IP配置管理的TCP/IP標準。DHCP標準為DHCP服務器的使用提供了一種有效的方法：即管理IP地址的動態分配及網絡上啟用DHCP客戶機的其他相關配置信息。它通過給使用該協議的計算機自動分配IP地址來集中并管理TCP/IP配置信息。與手工配置TCP/IP相比，DHCP有以下優點：用戶不需要手工輸入IP地址、子網掩碼及缺省網關地址，避免了地址重復帶來的通信故障;客戶機在于網間移動時不需重新進行配置。

DHCP是基于Bootstrap協議的，它具有可重用網絡地址的能力和附加的配置選項，也是由DHCP客戶端、DHCP服務器和DHCP中繼代理三部分組成的。DHCPServer是由管理員指定的，為需動態配置的主機分配IP地址和傳遞配置參數。Client指的是通過DHCP從Server請求初始化配置參數的主機。DHCP客戶端向DHCP服務器發出請求，要求分配網絡資源;DHCP服務器按照DHCP客戶端的請求分配網絡資源。DHCP中繼代理中繼DHCP服務器和DHCP客戶端間的請求和中繼包。圖1即為DHCP模型的示意圖。 [align=center] Fig 1 Model of DHCP[/align] 　　相對于TCP/IP的網絡，DHCP允許從本地網絡上的DHCP服務器IP地址數據庫中為客戶機動態指定IP地址，目的就是為了減輕TCP/IP網絡的規劃、管理和維護的負擔。運行DHCP的服務器把TCP/IP網絡設置集中起來，動態處理工作站IP地址的配置、用DHCP租約和預置的IP地址相聯系，DHCP租約提供了自動在TCP/IP網絡上安全地分配和租用IP地址的機制，實現IP地址的集中式管理.基本上不需要網絡管理人員的人為干預。

2 DHCP的工作原理

2.1 DHCP服務器的IP配置信息交互過程

DHCP技術的設計目的就是動態、靈活地使用IP地址，降低TCP/IP網絡管理的復雜性，它是一個Client/Server協議。DHCP服務器負責客戶機IP地址的集中管理和分配，IP地址數據庫存放在服務器上，客戶機向DHCP服務器申請和租用IP地址，DHCP服務器可以動態地為客戶機自動分配IP地址，也可為特定客戶機分配永久IP地址。客戶端的DHCP軟件會搜索網絡中的DHCP服務器，并申請從DHCP服務器中獲得IP地址。

DHCP服務器的IP配置信息交互過程（見圖2）

圖 2 DHCP服務器的IP配置信息交互過程

（1） 當用戶要使用TCP/IP時，廣播一個DHCPDiscover請求來尋找網絡中的DHCP服務器，通過DHCP Relay方式把DHCP數據包發出去，如果路由器上有DHCP中繼代理，這個廣播數據包還可以轉發到遠程網絡上的DHCP服務器。因為客戶機沒有U地址，所以源地址可設為0.0.0.0，但它把自己的硬件地址和計算機名打在了數據包里，DHCP服務器能直接響應到這臺機器上。

（2） DHCP服務器通過DHCP offer對收到的DHCP Discover做出反應，能否為這個客戶機提供IP地址。如果DHCP服務器能為這臺客戶機提供IP地址，就從DHCP數據庫中送出一個可用的IP，用數據包DHCP 0ffer提供IP地址、子網掩碼等信息給這臺客戶機。

（3） 客戶機從最先收到的數據包中得到IP地址信息，廣播一個DHCP Request信息包給DHCP服務器作為回答，就確認了IP地址的選擇。如果還有其他的DHCP服務器提供U地址，它們會收到相應的數據包，取消提供IP地址，這些地址仍然可以用。

（4） DHCP服務器提供的U得到認可后，它將發一個DHCPPack信息包，表示接受客戶端的請求。

2.2DHCP協議和DHCP服務器地址分配的形式

DHCP中使用的傳播協議是UDP協議。DHCP協議的關系層次圖如圖3所示.

圖3 DHCP協議的關系層次

（1）DHCP協議由Client/Server模式構成。

（2）UDP（User Datagram Protocal：TCP/IP家族中的一員，與IP不同的是UDP不進行信息達到與否的確認。

（3）IP（Internet Protocal）：完成機器間信息塊的傳遞。

（4）Ethernet：局域網的一種，使用CSMA/CD（競爭、沖突）控制方式。

DHCP服務器的核心技術是動態分配網絡上的IP地址。相對于動態IP地址分配，以前的靜態IP分配方法都是固定地分配IP地址，對那些分配了一個IP地址卻很少使用的機器，利用率就較低。DHCP服務器能提供3種方式的地址分配：

①人工分配（Manual Allocation）：供網絡管理者人為分配管理的部分（B00TP的管理即屬此類）;

②自動分配（Automatic Allocation）：是指在DHCP工作站第一次向DHCP服務器發出請求并成功租用IP地址后，這個地址就永遠分配給它使用。這一種方式顯然沒有太大的優越性。

③動態分配（Dynamatic Allocation）：是指在DHCP工作站第一次向DHCP服務器發出請求并成功租得IP地址后.DHCP只能暫時使用這個地址。也就是說.DHCP服務器提供的這個地址有一定的期限.這個期限稱為租用期（1ease）。只要租用期結束，DHCP服務器就會把這個地址收回，并將提供給其他的DHCP工作站使用。當然，該工作站也可以在租用快到期時請求一個新的租賃來繼續使用這個地址。

動態分配的最大好處就是可以解決IP地址不夠用的問題。因為在實際應用中我們一般將自己的局域網配置為C類（Class C），在這樣的網絡中，最多只能支持254臺主機。假定網絡上有300臺，那么IP地址不夠用的情況就發生了。

DHCP服務器的這3種地址分配方法能確保網絡上的每個IP地址都能得到高效的利用，從而在一定程度上解決了IP地址不足的問題，也能防止IP地址沖突產生，又無須人工分配IP地址，可以有效地減輕網管的負擔。

DHCP Server與DHCP Relay一般是隨機器一起被啟動的，并始終以Daemon方式運行（也可以通過命令方式啟動）。DHCP Client一般也隨機器一起啟動（也可以通過命令方式啟動），在成功地獲取IP地址后，則以Daemon方式運行，它完成對IP使用時間的管理。

3 Windows2000DHCP服務器的優點：

使用DHCP時，整個網絡中必須至少有一臺運行Windows 2000 Server的主機安裝有DHCP軟件，充當DHCP服務器，而其他所有欲使用DHCP功能的工作站也必須具有支持DHCP的功能。這樣，當DHCP工作站啟動時，它就會自動與DHCP服務器通信，并由DHCP服務器為其提供一個IP地址。當然，這個地址只是臨時的，當租約期滿，這個地址就會還給DHCP服務器，并將其提供給其他的DHCP工作站使用。如果原DHCP工作站仍需要IP地址，可以再向DHCP服務器租用另一個IP地址。

DHCP技術是在TCP/IP協議基礎上運行、對Intemet地址（網絡地址）進行有效管理的協議。它使用方便，具有廣闊的發展前景，Windows2000DHCP服務器有以下優點：

（1）管理員可集中指派和指定全局的和子網特有的TCP/IP參數供整個網絡使用。

（2）自動對DHCP客戶機進行TCP/IP配置，避免手工設置IP及子網掩碼的錯誤和一個IP地址分配多個用戶產生的沖突。

（3）客戶機在于網之間移動時，舊的IP地址將被釋放以便重用。當計算機在其新位置重新啟動時，客戶機自動重新配置其TCP/IP設置。

（4）大多數路由器都可轉發DHCP和B00Iy配置請求，所以在網絡中的每個子網上不需要DHCP服務器。

（5）避免了由于需要手動在每個計算機上鍵入值而引起的配置措設。DHCP還有助于防止由于在網絡上配置新的計算機時重用以前指派的U地址而引起的地址沖突。

（6）采用租用方式，需要時向DHCP服務器申請IP，用完后釋放，使服務器IP地址可以再利用。租約續訂過程還有助于確保客戶機配置需要經常更新的情況（如使用移動或便攜式計算機頻繁更改位置的用戶），通過客戶機直接與DHCP服務器通訊可以高效自動地進行這些改動。

（7）Windows 2000 Server的DHCP服務器數據庫是一個動態數據庫，向客戶機提供祖約或釋放租約時會自動更新，降低了管理IP地址的難度，所有DHCP客戶的設置和變更都由客戶機和服務器自動完成，不需人工干涉。

4 結束語

工業以太網已經成為控制系統網絡發展的主要方向，以其自身的優勢必然會有很好的應用前景，我們在研究工業以太網應用于工業控制現場時，應該充分利用信息網絡的已有的成熟技術和可用的新技術來改善工業以太網的網絡可用性，加快工業以太網在我國的研究和應用步伐。將DHCP協議應用在工業以太網方案中，簡化了TCP/IP以太網中的IP地址分配問題，具有巨大的發展潛力，其應用領域必將不斷的得到擴展。

參考文獻：

[1] IETF. Dynamic Host Configuration Protocol （EB） RFC2131.1997.

[2]鄭文波.控制網絡技術.清華大學出版社，2001.

[3] 陸渝. 用DHCP技術實現動態IP地址管理. [J].《中國有線電視》,2003 09/10（64-67）.