摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴大以及人們對網(wǎng)絡(luò)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(luò)管理員增加很多工作量。采用動態(tài)主機配置技術(shù)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(shù)的工作原理，以及DHCP技術(shù)在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用。實踐表明，DHCP技術(shù)對管理大規(guī)模的以及對網(wǎng)絡(luò)移動性要求高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng); DHCP; TCP/IP

1 引言

TCP/IP技術(shù)成功地構(gòu)造了信息高速通道——互聯(lián)網(wǎng)，對社會發(fā)展和人類生產(chǎn)產(chǎn)生了重大影響。在該項技術(shù)迅速發(fā)展與不斷成熟的同時，也深刻影響著相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展?；赥CP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)就受到TCP/IP技術(shù)的深刻影響，近年來得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為倍受關(guān)注的自控新技術(shù)。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(shù)除通信速率高以外，同時還可以使自控設(shè)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(shè)備。這些新型的技術(shù)是以往現(xiàn)場總線技術(shù)不具備的。以往現(xiàn)場總線技術(shù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的一種簡化主機IP配置管理的TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)。DHCP標(biāo)準(zhǔn)為DHCP服務(wù)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(luò)上啟用DHCP客戶機的其他相關(guān)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(guān)地址，避免了地址重復(fù)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(luò)地址的能力和附加的配置選項，也是由DHCP客戶端、DHCP服務(wù)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(wù)器發(fā)出請求，要求分配網(wǎng)絡(luò)資源;DHCP服務(wù)器按照DHCP客戶端的請求分配網(wǎng)絡(luò)資源。DHCP中繼代理中繼DHCP服務(wù)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(luò)，DHCP允許從本地網(wǎng)絡(luò)上的DHCP服務(wù)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(luò)的規(guī)劃、管理和維護的負擔(dān)。運行DHCP的服務(wù)器把TCP/IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yù)置的IP地址相聯(lián)系，DHCP租約提供了自動在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(luò)管理人員的人為干預(yù)。

2 DHCP的工作原理

2.1 DHCP服務(wù)器的IP配置信息交互過程

DHCP技術(shù)的設(shè)計目的就是動態(tài)、靈活地使用IP地址，降低TCP/IP網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性，它是一個Client/Server協(xié)議。DHCP服務(wù)器負責(zé)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(wù)器上，客戶機向DHCP服務(wù)器申請和租用IP地址，DHCP服務(wù)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。客戶端的DHCP軟件會搜索網(wǎng)絡(luò)中的DHCP服務(wù)器，并申請從DHCP服務(wù)器中獲得IP地址。

DHCP服務(wù)器的IP配置信息交互過程（見圖2）

圖 2 DHCP服務(wù)器的IP配置信息交互過程

（1） 當(dāng)用戶要使用TCP/IP時，廣播一個DHCPDiscover請求來尋找網(wǎng)絡(luò)中的DHCP服務(wù)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(zhuǎn)發(fā)到遠程網(wǎng)絡(luò)上的DHCP服務(wù)器。因為客戶機沒有U地址，所以源地址可設(shè)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(wù)器能直接響應(yīng)到這臺機器上。

（2） DHCP服務(wù)器通過DHCP offer對收到的DHCP Discover做出反應(yīng)，能否為這個客戶機提供IP地址。如果DHCP服務(wù)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(wù)器作為回答，就確認(rèn)了IP地址的選擇。如果還有其他的DHCP服務(wù)器提供U地址，它們會收到相應(yīng)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(wù)器提供的U得到認(rèn)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(wù)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(guān)系層次圖如圖3所示.

圖3 DHCP協(xié)議的關(guān)系層次

（1）DHCP協(xié)議由Client/Server模式構(gòu)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(rèn)。

（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(wù)器的核心技術(shù)是動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)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(wù)器能提供3種方式的地址分配：

①人工分配（Manual Allocation）：供網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(wù)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(wù)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(jié)束，DHCP服務(wù)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(dāng)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(yīng)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(luò)中，最多只能支持254臺主機。假定網(wǎng)絡(luò)上有300臺，那么IP地址不夠用的情況就發(fā)生了。

DHCP服務(wù)器的這3種地址分配方法能確保網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生，又無須人工分配IP地址，可以有效地減輕網(wǎng)管的負擔(dān)。

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(wù)器的優(yōu)點：

使用DHCP時，整個網(wǎng)絡(luò)中必須至少有一臺運行Windows 2000 Server的主機安裝有DHCP軟件，充當(dāng)DHCP服務(wù)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(dāng)DHCP工作站啟動時，它就會自動與DHCP服務(wù)器通信，并由DHCP服務(wù)器為其提供一個IP地址。當(dāng)然，這個地址只是臨時的，當(dāng)租約期滿，這個地址就會還給DHCP服務(wù)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(wù)器租用另一個IP地址。

DHCP技術(shù)是在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上運行、對Intemet地址（網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(luò)使用。

（2）自動對DHCP客戶機進行TCP/IP配置，避免手工設(shè)置IP及子網(wǎng)掩碼的錯誤和一個IP地址分配多個用戶產(chǎn)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(dāng)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(shè)置。

（4）大多數(shù)路由器都可轉(zhuǎn)發(fā)DHCP和B00Iy配置請求，所以在網(wǎng)絡(luò)中的每個子網(wǎng)上不需要DHCP服務(wù)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(shè)。DHCP還有助于防止由于在網(wǎng)絡(luò)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(wù)器申請IP，用完后釋放，使服務(wù)器IP地址可以再利用。租約續(xù)訂過程還有助于確?？蛻魴C配置需要經(jīng)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(wù)器通訊可以高效自動地進行這些改動。

（7）Windows 2000 Server的DHCP服務(wù)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(shè)置和變更都由客戶機和服務(wù)器自動完成，不需人工干涉。

4 結(jié)束語

工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，以其自身的優(yōu)勢必然會有很好的應(yīng)用前景，我們在研究工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場時，應(yīng)該充分利用信息網(wǎng)絡(luò)的已有的成熟技術(shù)和可用的新技術(shù)來改善工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可用性，加快工業(yè)以太網(wǎng)在我國的研究和應(yīng)用步伐。將DHCP協(xié)議應(yīng)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?yīng)用領(lǐng)域必將不斷的得到擴展。

參考文獻：

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