摘 要：隨著網(wǎng)絡規(guī)模的日益擴大以及人們對網(wǎng)絡的移動性的要求越來越高，如果仍采用靜態(tài)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(wǎng)絡管理員增加很多工作量。采用動態(tài)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(yè)以太網(wǎng)中的應用。實踐表明，DHCP技術對管理大規(guī)模的以及對網(wǎng)絡移動性要求高的網(wǎng)絡系統(tǒng)具有重要的意義。

關鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng); DHCP; TCP/IP

1 引言

TCP/IP技術成功地構造了信息高速通道——互聯(lián)網(wǎng)，對社會發(fā)展和人類生產產生了重大影響。在該項技術迅速發(fā)展與不斷成熟的同時，也深刻影響著相關領域的技術發(fā)展。基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)就受到TCP/IP技術的深刻影響，近年來得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，成為倍受關注的自控新技術。改進后的工業(yè)以太網(wǎng)具有實時性、穩(wěn)定性、通用性、開放性等特點，它符合現(xiàn)場總線的發(fā)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(lián)網(wǎng)發(fā)布網(wǎng)頁信息，用戶也可以通過Web瀏覽器，監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設備。這些新型的技術是以往現(xiàn)場總線技術不具備的。以往現(xiàn)場總線技術把注意力主要放在滿足控制的實時性，工業(yè)環(huán)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(yè)以太網(wǎng)具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

DHCP（Dynamic Host Configration Protocol）的全稱是動態(tài)主機配置協(xié)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(tài)分配及網(wǎng)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(xié)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(yōu)點：用戶不需要手工輸入IP地址、子網(wǎng)掩碼及缺省網(wǎng)關地址，避免了地址重復帶來的通信故障;客戶機在于網(wǎng)間移動時不需重新進行配置。

DHCP是基于Bootstrap協(xié)議的，它具有可重用網(wǎng)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(tài)配置的主機分配IP地址和傳遞配置參數(shù)。Client指的是通過DHCP從Server請求初始化配置參數(shù)的主機。DHCP客戶端向DHCP服務器發(fā)出請求，要求分配網(wǎng)絡資源;DHCP服務器按照DHCP客戶端的請求分配網(wǎng)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(wǎng)絡，DHCP允許從本地網(wǎng)絡上的DHCP服務器IP地址數(shù)據(jù)庫中為客戶機動態(tài)指定IP地址，目的就是為了減輕TCP/IP網(wǎng)絡的規(guī)劃、管理和維護的負擔。運行DHCP的服務器把TCP/IP網(wǎng)絡設置集中起來，動態(tài)處理工作站IP地址的配置、用DHCP租約和預置的IP地址相聯(lián)系，DHCP租約提供了自動在TCP/IP網(wǎng)絡上安全地分配和租用IP地址的機制，實現(xiàn)IP地址的集中式管理.基本上不需要網(wǎng)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(tài)、靈活地使用IP地址，降低TCP/IP網(wǎng)絡管理的復雜性，它是一個Client/Server協(xié)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(shù)據(jù)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(tài)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?？蛻舳说腄HCP軟件會搜索網(wǎng)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(wǎng)絡中的DHCP服務器，通過DHCP Relay方式把DHCP數(shù)據(jù)包發(fā)出去，如果路由器上有DHCP中繼代理，這個廣播數(shù)據(jù)包還可以轉發(fā)到遠程網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中送出一個可用的IP，用數(shù)據(jù)包DHCP 0ffer提供IP地址、子網(wǎng)掩碼等信息給這臺客戶機。

（3） 客戶機從最先收到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)一個DHCPPack信息包，表示接受客戶端的請求。

2.2DHCP協(xié)議和DHCP服務器地址分配的形式

DHCP中使用的傳播協(xié)議是UDP協(xié)議。DHCP協(xié)議的關系層次圖如圖3所示.

圖3 DHCP協(xié)議的關系層次

（1）DHCP協(xié)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(wǎng)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(tài)分配網(wǎng)絡上的IP地址。相對于動態(tài)IP地址分配，以前的靜態(tài)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(wǎng)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(fā)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(yōu)越性。

③動態(tài)分配（Dynamatic Allocation）：是指在DHCP工作站第一次向DHCP服務器發(fā)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(xù)使用這個地址。

動態(tài)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(wǎng)配置為C類（Class C），在這樣的網(wǎng)絡中，最多只能支持254臺主機。假定網(wǎng)絡上有300臺，那么IP地址不夠用的情況就發(fā)生了。

DHCP服務器的這3種地址分配方法能確保網(wǎng)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(wǎng)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(yōu)點：

使用DHCP時，整個網(wǎng)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(xié)議基礎上運行、對Intemet地址（網(wǎng)絡地址）進行有效管理的協(xié)議。它使用方便，具有廣闊的發(fā)展前景，Windows2000DHCP服務器有以下優(yōu)點：

（1）管理員可集中指派和指定全局的和子網(wǎng)特有的TCP/IP參數(shù)供整個網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)路由器都可轉發(fā)DHCP和B00Iy配置請求，所以在網(wǎng)絡中的每個子網(wǎng)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(wǎng)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(xù)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(shù)據(jù)庫是一個動態(tài)數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)已經成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向，以其自身的優(yōu)勢必然會有很好的應用前景，我們在研究工業(yè)以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制現(xiàn)場時，應該充分利用信息網(wǎng)絡的已有的成熟技術和可用的新技術來改善工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡可用性，加快工業(yè)以太網(wǎng)在我國的研究和應用步伐。將DHCP協(xié)議應用在工業(yè)以太網(wǎng)方案中，簡化了TCP/IP以太網(wǎng)中的IP地址分配問題，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ鋺妙I域必將不斷的得到擴展。

參考文獻：

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[2]鄭文波.控制網(wǎng)絡技術.清華大學出版社，2001.

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