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第二章 W55MH32 DHCP示例

news 2025/7/25 22:50:46

目录

1 DHCP协议简介

2 DHCP协议特点

3 DHCP工作原理

4 DHCP协议报文

5 DHCP应用场景

6 实现过程

8 运行结果

7 总结

本篇文章我们将详细讲解DHCP协议的基本信息、优势特点、工作原理、应用场景，并通过实战例程，为大家讲解如何使用W55MH32动态获取IP信息，帮助读者更好地了解并运用这一协议。

有关W55MH32的初始化过程，请参考相关章节，这里将不再详述。

1 DHCP协议简介

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）即动态主机配置协议，是一个应用层协议。它主要用于在 IP 网络中为客户端自动分配 IP 地址及其他相关网络配置参数，如子网掩码、默认网关、DNS 服务器地址等。这种动态分配的方式大大简化了网络管理员的工作，并且能够更有效地利用有限的 IP 地址资源。

2 DHCP协议特点

  1. 便捷配置与管控：DHCP可自动分配IP地址、子网掩码、网关、DNS等网络参数，设备入网即自动获取，用户无需手动操作。管理员能通过服务器集中管理IP分配，网络架构调整时，修改服务器设置，客户端自动适配；静态IP则要逐台手动输入、调整，流程繁琐还易出错。
  2. 灵活资源利用：DHCP动态分配IP，设备离线后地址回池再利用，契合公共场所临时大量接入需求，提升地址利用率；还能按需灵活调配，为关键设备保留静态IP，其余动态分配。静态IP固定占用，闲置浪费资源，灵活性差。
  3. 高效维护与排障：DHCP自动分配，规避手动配置错误与IP地址冲突，服务器详细记录分配情况。网络故障时，管理员依服务器日志锁定故障设备排查；静态IP手动配置易冲突，故障排查缺少有效记录，难度大、耗时久。
  4. 适配移动与拓展：移动设备横跨网络时，DHCP让其自动获取IP配置，无需手动切换；网络规模扩大、新增设备时，DHCP自动分配地址，助力快速扩容。静态IP需提前规划，易现地址不足、分配不合理问题，还增加设备移动操作难度。

3 DHCP工作原理

DHCP工作原理如图所示：

从图示中我们可以直观明了地看出DHCP地工作原理，一般为四个阶段：

  1. 发现阶段：客户端接入网络时以广播形式发送DHCP Discover报文（目的IP是255.255.255.255，源IP是0.0.0.0）寻找DHCP服务器，报文中含客户端MAC地址。若服务器和客户端不在同一子网，会通过中继代理（如路由器）转发。
  2. 提供阶段：DHCP服务器收到Discover报文后，从IP地址池选一个未分配的IP地址，将其和子网掩码、默认网关、DNS服务器地址等信息封装进DHCP Offer报文，以广播或单播方式发给客户端，可能会有多个Offer报文。
  3. 请求阶段：客户端收到多个Offer后选择一个，以广播形式发送DHCP Request报文请求分配该IP地址等配置信息，且发送ARP请求检查IP地址唯一性。
  4. 确认阶段：服务器收到Request报文后，检查IP地址是否可用。若可用，将以广播或单播的形式发送DHCP Ack报文，客户端收到后完成网络配置正常上网。若不可用，发送DHCP Nak报文，客户端收到后重新发起Discover流程。

4 DHCP协议报文

DHCP的报文格式如下：

0~7 bit

8~15 bit

16~23 bit

24~31 bit

op(1)

htype(1)

hlen(1)

hops(1)

Xid(4)

secs(2)

flags(2)

ciaddr(4)

yiaddr(4)

siaddr(4)

giaddr(4)

chaddr(16)

sname(64)

file(128)

options(variable)

DHCP报文各字段的说明如下表所示：

字段

长度

含义

op(op code)

1字节

表示报文的类型，取值为1或2，含义如下：

1：客户端请求报文。

2：服务器响应报文。

htype(hardware type)

1字节

表示硬件类型。不同的硬件类型取值不同，常见值为1，表示以太网(10Mb)。

hlen(hardware length)

1字节

表示硬件地址长度，以太网的值为6。

hops

1字节

表示DHCP报文经过的DHCP中继数目。客户端或服务器初始设为0，每经过一个中继则加1，用于限制DHCP报文经过的中继数量，且服务器与客户端间中继数目不能超16个（Hops值不能大于16），否则报文将被丢弃。

xid

4字节

表示DHCP客户端选取的随机数，使DHCP服务器的回复与DHCP客户端的报文相关联。

secs(seconds)

2字节

表示客户端从开始获取地址或地址续租更新后所用的时间，单位是秒。

flags

2字节

表示标志字段。只有标志字段的最高位才有意义，其余的15位均被置为0。最高位被解释为单播或者广播响应标志位，内容如下所示：

0：客户端请求服务器以单播形式发送响应报文。

1：客户端请求服务器以广播形式发送响应报文。

ciaddr(client ip address)

4字节

表示客户端的IP地址。可以是服务器分配给客户端的IP地址或者客户端已有的IP地址。客户端在初始化状态时没有IP地址，此字段为0.0.0.0。

IP地址0.0.0.0仅在采用DHCP方式的系统启动时允许本主机利用它进行临时的通信，不是有效目的地址。

yiaddr(your client ip address)

4字节

表示服务器分配给客户端的IP地址。当服务器进行DHCP响应时，将分配给客户端的IP地址填入此字段。

siaddr(server ip address)

4字节

DHCP客户端获得启动配置信息的服务器的IP地址。

giaddr(gateway ip address)

4字节

表示首个DHCP中继的IP地址。客户端发DHCP请求，若服务器与客户端不在同一网段，首个中继转发请求报文给服务器时填入自身IP地址，服务器据此判断客户端网段地址，选地址池分配对应IP地址，再按此地址回发响应报文给该中继，由中继转发给客户端。若存在多个中继，此字段作为客户端网段标记，填好首个中继IP地址后不再变更，每经过一个中继，hops字段数值加1。

chaddr(client hardware address)

16字节

表示客户端的MAC地址，此字段与前面的“hardware type”和“hardware length”保持一致。当客户端发出DHCP请求时，将自己的硬件地址填入此字段。对于以太网，当“hardware type”和“hardware length”分别为“1”和“6”时，此字段必须填入6字节的以太网MAC地址。

sname(server host name)

64字节

表示客户端获取配置信息的服务器名字。此字段由DHCP服务器填写，是可选的。如果填写，必须是一个以0结尾的字符串。

file(file name)

128字节

表示客户端需获取的启动配置文件名。由DHCP服务器填写，随DHCP地址分配下发至客户端。该字段可选，若填写则须是以0结尾的字符串。

options

可变

表示DHCP的选项字段，最多1200字节，包含DHCP报文类型、服务器分配给终端的配置信息（如网关IP地址、DNS服务器IP地址、客户端IP地址有效租期等）。详情参见IETF官网“DHCP Options”部分的描述。

Discover报文实例：客户端通过UDP广播的方式发送DHCP发现报文，报文中包含了客户端MAC地址、主机名和请求的IP地址等信息

|报文解析|

Message type: Boot Request (1) （op code为1，客户端请求报文）

Hardware type: Ethernet (0x01)

Hardware address length: 6

Hops: 0

Transaction ID: 0xbf600589

Seconds elapsed: 0

Bootp flags: 0x0000 (Unicast)

Client IP address: 0.0.0.0

Your (client) IP address: 0.0.0.0

Next server IP address: 0.0.0.0

Relay agent IP address: 0.0.0.0

Client MAC address: HP_b1:37:11 (64:4e:d7:b1:37:11)

Client hardware address padding: 00000000000000000000

Server host name not given

Boot file name not given

Magic cookie: DHCP

Option: (53) DHCP Message Type (Discover)

Option: (61) Client identifier

Option: (50) Requested IP Address (192.168.1.115)

Option: (12) Host Name

Option: (60) Vendor class identifier

Option: (55) Parameter Request List

Option: (255) End

Padding: 0000000000000000

|报文原文|

01 01 06 00 bf 60

05 89 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 64 4e d7 b1 37 11 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 63 82 53 63 35 01 01 3d 07 01 64 4e d7 b1 37 11 32 04 c0 a8 01 73 0c 05 46 41 45 5f 33 3c 08 4d 53 46 54 20 35 2e 30 37 0e 01 03 06 0f 1f 21 2b 2c 2e 2f 77 79 f9 fc ff 00 00 00 00 00 00 00 00

Offer报文实例：DHCP服务器收到Discover报文后，从IP地址池选一个未分配的IP地址，将其和子网掩码、默认网关等信息封装进Offer报文以广播或单播（这里为广播的方式）方式发给客户端

|报文解析|

Message type: Boot Reply (2) （op code为2，服务器响应报文）

Hardware type: Ethernet (0x01)

Hardware address length: 6

Hops: 0

Transaction ID: 0xbf600589

Seconds elapsed: 0

Bootp flags: 0x0000 (Unicast)

Client IP address: 0.0.0.0

Your (client) IP address: 192.168.1.115

Next server IP address: 0.0.0.0

Relay agent IP address: 0.0.0.0

Client MAC address: HP_b1:37:11 (64:4e:d7:b1:37:11)

Client hardware address padding: 00000000000000000000

Server host name not given

 Boot file name not given

Magic cookie: DHCP

Option: (53) DHCP Message Type (Offer)

Option: (54) DHCP Server Identifier (192.168.1.1)

 Option: (51) IP Address Lease Time

 Option: (6) Domain Name Server

Option: (1) Subnet Mask (255.255.255.0)

Option: (3) Router

Option: (255) End

|报文原文|

02 01 06 00 bf 60

05 89 00 00 00 00 00 00 00 00 c0 a8 01 73 00 00 00 00 00 00 00 00 64 4e d7 b1 37 11 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 63 82 53 63 35 01 02 36 04 c0 a8 01 01 33 04 00 00 1c 20 06 08 ca 60 86 21 ca 60 80 56 01 04 ff ff ff 00 03 04 c0 a8 01 01 ff

其他报文信息这里就不一一展示了，感兴趣的朋友可以自行抓取查看。

5 DHCP应用场景

DHCP的应用场景通常集中在需要动态分配IP地址的局域网环境中。例如，在大型的办公环境或者学校中，由于有大量的网络设备需要连接到网络，手动为每个设备分配和管理IP地址会非常繁琐且容易出错。使用DHCP可以集中管理IP地址的分配，提高网络管理员的工作效率，减少错误的发生，且可以适应网络变化。

6 实现过程

接下来，我们一起来看看如何在W55MH32上实现DHCP动态获取网络地址信息。

注意：使用DHCP动态获取IP时，必需将网络结构体配置中dhcp的值改为NETINFO_DHCP，这样才能运行DHCP模式。

步骤一：注册DHCP定时器中断到1s定时器中：

/**
* @brief   1ms timer IRQ Handler
* @param   none
* @return  none
*/
void TIM3_IRQHandler(void)
{static uint32_t tim3_1ms_count = 0;if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET){tim3_1ms_count++;if (tim3_1ms_count >= 1000){DHCP_time_handler();tim3_1ms_count = 0;}TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);}
}

注册DHCP定时器中断主要为了DHCP超时处理。

在dhcp.h文件中，定义了DHCP超时时间、重试次数、端口号和主机名等内容：

#ifndef _DHCP_H_
#define _DHCP_H_#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif/*
* @brief
* @details If you want to display debug & processing message, Define _DHCP_DEBUG_
* @note    If defined, it depends on <stdio.h>
*/
//#define _DHCP_DEBUG_/* Retry to processing DHCP */
#define	MAX_DHCP_RETRY          2        ///< Maximum retry count
#define	DHCP_WAIT_TIME          10       ///< Wait Time 10s/* UDP port numbers for DHCP */
#define DHCP_SERVER_PORT      	67	      ///< DHCP server port number
#define DHCP_CLIENT_PORT         68	      ///< DHCP client port number#define MAGIC_COOKIE             0x63825363  ///< You should not modify it number.#define DCHP_HOST_NAME           "WIZnet\0"

步骤二：启用DHCP动态获取：

首先需要将默认网络地址信息结构体中的模式改为DHCP模式

/* network information */
wiz_NetInfo default_net_info = {.mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x12, 0x22, 0x12},.ip  = {192, 168, 1, 30},.gw  = {192, 168, 1, 1},.sn  = {255, 255, 255, 0},.dns = {8, 8, 8, 8},.dhcp = NETINFO_DHCP
};

步骤三：DHCP获取网络地址信息

首先是在初始化完硬件和TOE之后调用network_init进行网络地址信息配置

network_init(ethernet_buf, &default_net_info);

这个函数需要将DHCP处理用到的缓存数组以及默认网络地址信息传入，函数具体内容如下：

/**
* @brief   set network information
*
* First determine whether to use DHCP. If DHCP is used, first obtain the Internet Protocol Address through DHCP.
* When DHCP fails, use static IP to configure network information. If static IP is used, configure network information directly
*
* @param   sn: socketid
* @param   ethernet_buff:
* @param   net_info: network information struct
* @return  none
*/
void network_init(uint8_t *ethernet_buff, wiz_NetInfo *conf_info)
{int ret;wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Informationif (conf_info->dhcp == NETINFO_DHCP){ret = wiz_dhcp_process(0, ethernet_buff);if (ret == 0){conf_info->dhcp = NETINFO_STATIC;wizchip_setnetinfo(conf_info);}}print_network_information();
}

在这个函数中，会先设置一遍网络地址到W55MH32中，然后判断模式是否为DHCP模式，如果为DHCP模式，则使用wiz_dhcp_process函数来执行DHCP进程，在通过DHCP方式成功获取到网络地址后更新到W55MH32中，最后将网络地址信息打印出来。wiz_dhcp_process函数内容如下：

/**
* @brief DHCP process
* @param sn :socket number
* @param buffer :socket buffer
*/
static uint8_t wiz_dhcp_process(uint8_t sn, uint8_t *buffer)
{wiz_NetInfo conf_info;uint8_t     dhcp_run_flag = 1;uint8_t     dhcp_ok_flag  = 0;/* Registration DHCP_time_handler to 1 second timer */DHCP_init(sn, buffer);printf("DHCP running\r\n");while (1){switch (DHCP_run())  // Do the DHCP client{case DHCP_IP_LEASED: // DHCP Acquiring network information successfullyif (dhcp_ok_flag == 0){dhcp_ok_flag  = 1;dhcp_run_flag = 0;}break;case DHCP_FAILED:dhcp_run_flag = 0;break;}if (dhcp_run_flag == 0){printf("DHCP %s!\r\n", dhcp_ok_flag ? "success" : "fail");DHCP_stop();if (dhcp_ok_flag){getIPfromDHCP(conf_info.ip);getGWfromDHCP(conf_info.gw);getSNfromDHCP(conf_info.sn);getDNSfromDHCP(conf_info.dns);conf_info.dhcp = NETINFO_DHCP;getSHAR(conf_info.mac);wizchip_setnetinfo(&conf_info); // Update network information to network information obtained by DHCPreturn 1;}return 0;}}
}

在该函数体中，首先会调用DHCP_init 函数进行初始化DHCP配置：

void DHCP_init(uint8_t s, uint8_t * buf)
{uint8_t zeroip[4] = {0, 0, 0, 0};getSHAR(DHCP_CHADDR);if ((DHCP_CHADDR[0] | DHCP_CHADDR[1] | DHCP_CHADDR[2] | DHCP_CHADDR[3] | DHCP_CHADDR[4] | DHCP_CHADDR[5]) == 0x00){// Assigning temporary mac address, you should set SHAR before calling this function.DHCP_CHADDR[0] = 0x00;DHCP_CHADDR[1] = 0x08;DHCP_CHADDR[2] = 0xdc;DHCP_CHADDR[3] = 0x00;DHCP_CHADDR[4] = 0x00;DHCP_CHADDR[5] = 0x00;setSHAR(DHCP_CHADDR);}DHCP_SOCKET = s;  // SOCK_DHCPpDHCPMSG = (RIP_MSG*)buf;DHCP_XID = 0x12345678;{DHCP_XID += DHCP_CHADDR[3];DHCP_XID += DHCP_CHADDR[4];DHCP_XID += DHCP_CHADDR[5];DHCP_XID += (DHCP_CHADDR[3] ^ DHCP_CHADDR[4] ^ DHCP_CHADDR[5]);}// WIZchip Netinfo ClearsetSIPR(zeroip);setGAR(zeroip);reset_DHCP_timeout();dhcp_state = STATE_DHCP_INIT;
}

然后是在DHCP主循环中运行DHCP_run函数，它的主要作用是进行DHCP组包，发送发现、请求等报文，对服务器的提供、响应等内容进行解析以及超时处理，这里只需要根据DHCP_run函数的返回值进行相应处理即可。DHCP_run函数内容如下：

uint8_t DHCP_run(void)
{uint8_t  type;uint8_t  ret;if(dhcp_state == STATE_DHCP_STOP) return DHCP_STOPPED;if(getSn_SR(DHCP_SOCKET) != SOCK_UDP)socket(DHCP_SOCKET, Sn_MR_UDP, DHCP_CLIENT_PORT, 0x00);ret = DHCP_RUNNING;type = parseDHCPMSG();switch ( dhcp_state ) {case STATE_DHCP_INIT     :DHCP_allocated_ip[0] = 0;DHCP_allocated_ip[1] = 0;DHCP_allocated_ip[2] = 0;DHCP_allocated_ip[3] = 0;send_DHCP_DISCOVER();dhcp_state = STATE_DHCP_DISCOVER;break;case STATE_DHCP_DISCOVER :if (type == DHCP_OFFER){
#ifdef _DHCP_DEBUG_printf("> Receive DHCP_OFFER\r\n");
#endifDHCP_allocated_ip[0] = pDHCPMSG->yiaddr[0];DHCP_allocated_ip[1] = pDHCPMSG->yiaddr[1];DHCP_allocated_ip[2] = pDHCPMSG->yiaddr[2];DHCP_allocated_ip[3] = pDHCPMSG->yiaddr[3];send_DHCP_REQUEST();dhcp_state = STATE_DHCP_REQUEST;} else ret = check_DHCP_timeout();break;case STATE_DHCP_REQUEST :if (type == DHCP_ACK) {#ifdef _DHCP_DEBUG_printf("> Receive DHCP_ACK\r\n");
#endifif (check_DHCP_leasedIP()) {// Network info assignment from DHCPdhcp_ip_assign();reset_DHCP_timeout();dhcp_state = STATE_DHCP_LEASED;} else {// IP address conflict occurredreset_DHCP_timeout();dhcp_ip_conflict();dhcp_state = STATE_DHCP_INIT;}} else if (type == DHCP_NAK) {#ifdef _DHCP_DEBUG_printf("> Receive DHCP_NACK\r\n");
#endifreset_DHCP_timeout();dhcp_state = STATE_DHCP_DISCOVER;} else ret = check_DHCP_timeout();break;case STATE_DHCP_LEASED :ret = DHCP_IP_LEASED;if ((dhcp_lease_time != INFINITE_LEASETIME) && ((dhcp_lease_time/2) < dhcp_tick_1s)) {#ifdef _DHCP_DEBUG_printf("> Maintains the IP address \r\n");
#endiftype = 0;OLD_allocated_ip[0] = DHCP_allocated_ip[0];OLD_allocated_ip[1] = DHCP_allocated_ip[1];OLD_allocated_ip[2] = DHCP_allocated_ip[2];OLD_allocated_ip[3] = DHCP_allocated_ip[3];DHCP_XID++;send_DHCP_REQUEST();reset_DHCP_timeout();dhcp_state = STATE_DHCP_REREQUEST;}break;case STATE_DHCP_REREQUEST :ret = DHCP_IP_LEASED;if (type == DHCP_ACK) {dhcp_retry_count = 0;if (OLD_allocated_ip[0] != DHCP_allocated_ip[0] || OLD_allocated_ip[1] != DHCP_allocated_ip[1] ||OLD_allocated_ip[2] != DHCP_allocated_ip[2] ||OLD_allocated_ip[3] != DHCP_allocated_ip[3]) {ret = DHCP_IP_CHANGED;dhcp_ip_update();#ifdef _DHCP_DEBUG_printf(">IP changed.\r\n");#endif}#ifdef _DHCP_DEBUG_else printf(">IP is continued.\r\n");#endif            				reset_DHCP_timeout();dhcp_state = STATE_DHCP_LEASED;} else if (type == DHCP_NAK) {#ifdef _DHCP_DEBUG_printf("> Receive DHCP_NACK, Failed to maintain ip\r\n");
#endifreset_DHCP_timeout();dhcp_state = STATE_DHCP_DISCOVER;} else ret = check_DHCP_timeout();break;default :break;}return ret;
}

7 运行结果

烧录例程运行后，首先打印了PHY链路检测的结果以及DHCP日志信息，然后打印了网络地址信息，这里可以看到配置方式为DHCP，IP地址为192.168.1.117，最后是PING提示消息。

接着在PC端打开CMD，PING W55MH32的IP地址，可以正常PING通。

8 总结

本文介绍 DHCP 协议，包括其在 IP 网络自动分配参数的功能、便捷配置等特点、工作原理、报文格式和应用场景。通过 W55MH32 实战例程展示动态获取网络地址信息过程，含注册定时器中断、启用模式和获取信息等步骤，烧录后可完成检测与信息打印，PC 端能 PING 通设备。

下一篇文章将讲解如何在 W55MH32 芯片上实现 TCP 客户端模式，解析 TCP 客户端连接服务器进行回环测试的核心原理及应用，同时通过实战例程讲解具体实现步骤与要点，敬请期待

http://www.dtcms.com/a/294628.html

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