LV040-DHCP与IP地址自动获取
一、 IP 地址的两种来源
1. 静态配置与 DHCP
设备刚接入网络时，它自己并不知道该用什么 IP。有两种做法：
| 方式 | 谁决定地址 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 静态配置 | 人（写死或用命令行） | 地址可预测，环境不受服务器影响 | 要手工维护，容易冲突或写错 |
| DHCP 自动获取 | 网络里的 DHCP 服务器 | 即插即用，不冲突 | 依赖服务器；地址不固定 |
家里的手机、电脑连 WiFi 都是第二种，所以从来不用配 IP；而本工程用的是第一种，地址写死在宏里。
2. 两种方式的取舍
这两种方式没有优劣，只有"适合什么场景"：
- 静态配置适合"地址必须被外部知道"的场景。比如服务器、打印机、以及本工程的 Bootloader——PC 上的脚本得知道去连谁。
- DHCP 适合"设备频繁加入离开、地址不必固定"的场景。比如咖啡厅的 WiFi、办公室的访客网络。
本工程选静态的完整理由见第五节。
二、 DHCP 在协议栈里的位置
1. 跑在 UDP 上的应用层协议
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）本身是一个应用层协议，运行在 UDP 之上：
| 项 | 值 |
|---|---|
| 传输层协议 | UDP |
| 服务器端口 | 67 |
| 客户端端口 | 68 |
| 广播地址 | 255.255.255.255 |
这里有个绕不开的循环：要靠 DHCP 拿 IP，可发 DHCP 报文本身又需要 IP。
2. "先有鸡还是先有蛋"的绕法
解决办法是用特殊地址把这一步绕过去：
- 源 IP 用
0.0.0.0（"我还没有地址"）； - 目的 IP 用
255.255.255.255（有限广播，本网段所有设备）； - 目的 MAC 用
FF:FF:FF:FF:FF:FF。
这三个值分别对应 LV010 第三节里提到的 0.0.0.0/8，以及 LV030 第三节里的广播地址。也就是说，ARP 与广播机制才是 DHCP 能起步的前提。
从这个角度看协议栈的依赖顺序很清楚：链路层收发包 → ARP / IP → UDP → DHCP，一层都不能跳。
三、 DORA 四步交互
1. 四步各自做什么
这四个步骤合称 DORA：
| 步骤 | 名称 | 方向 | 内容 |
|---|---|---|---|
| 1 | DISCOVER（发现） | 客户端 → 广播 | "本网段有没有 DHCP 服务器？我需要一个地址" |
| 2 | OFFER（提供） | 服务器 → 客户端 | "我这有个 192.168.16.100，要不要" |
| 3 | REQUEST（请求） | 客户端 → 广播 | "我选定 192.168.16.100 了" |
| 4 | ACK（确认） | 服务器 → 客户端 | "准了，租给你 24 小时"，同时给出掩码、网关、DNS |
2. 第 3 步为什么还要广播
有一个细节常被问：第 3 步为什么还要广播？
因为网络里可能有多台 DHCP 服务器，第 2 步它们可能都给了 OFFER。客户端选定其中一个后，必须广播一声让落选的那些把候选地址收回去，否则那些地址就被白白占住了。
3. 第 4 步之后的补充动作
第 4 步之后，客户端还会用 ARP 检查一下这个地址有没有被占用（免费 ARP，见 LV030 第五节），确认没冲突才正式启用。这一步在实验室里遇到"地址冲突"告警时值得留个心眼。
四、 租约与续租
1. DHCP 给的不只是一串 IP
一次 ACK 里会带回一整套参数，这正是"插上网线就能上网"的原因：
| 参数 | 作用 |
|---|---|
| IP 地址 | 自己的地址 |
| 子网掩码 | 判断同网段 |
| 默认网关 | 跨网段时的第一站（见 LV015） |
| DNS 服务器 | 域名 → IP 的解析服务器 |
| 租约时长 | 这个地址能用多久 |
一次拿到全部参数，这正是 DHCP 相比"手工填四个框"的最大价值：它不只分配地址，还顺带把"这个网络该怎么走"一起告诉了你。
2. T1、T2 与租期
DHCP 分配的地址是租给你的，不是永久给你：
| 时间点 | 动作 |
|---|---|
| 到租期的 50%（T1） | 客户端单播给原服务器请求续租 |
| 到租期的 87.5%（T2） | 如果还没续上，广播找任意服务器 |
| 租期到 | 必须停止使用该地址 |
这样做的目的是：设备离开网络后，地址能被回收再分配给别人，不至于浪费。
两个时间点的设计意图也不一样：T1 是"优先找原服务器"（保持地址稳定），T2 是"保底求助"（先保证不断网，哪怕换个服务器）。
五、 本工程为什么不用 DHCP
1. 三条理由
这不是"实现不了"，而是故意不要，原因有三层：
（1）内存预算紧。本工程 lwipopts.h 里 MEM_SIZE 只有 8 KB、PBUF_POOL_SIZE 只有 8 个，DHCP 需要额外的状态机与报文缓冲，而 LWIP_DHCP 宏被显式关掉了（dhcp.c 虽然编进工程，但被宏裁成了空实现）。
（2）地址必须可预测。Bootloader 的升级流程是"PC 上的脚本主动去连板子"，脚本里写死了 192.168.16.30。如果地址是 DHCP 随机分配的，脚本根本不知道该连谁——这是嵌入式升级场景里最实际的理由。
（3）不需要长期在线。DHCP 的价值在"设备频繁加入离开的网络"。而这块板子是"插上线、升级、跳转 APP"，全程几分钟，静态地址更简单可靠。
2. 产品里的常见做法
那产品里怎么做？常见组合是**"静态地址 + 存到非易失存储"**：默认给一个出厂地址，需要改的时候由上位机下发新地址，写进外部 SPI Flash（本工程的 paramset / paramget 命令与 W25Q128 驱动就是为这类需求准备的）。
这条路线保留了静态地址"可预测"的优点，又避免了"改地址要重新编译烧录"的缺点。
3. 169.254 地址：DHCP 失败的标志
如果 PC 设成了"自动获取 IP"，而网络里根本没有 DHCP 服务器，PC 会退而求其次，自己挑一个 169.254.x.x 用（叫链路本地地址，Windows 上会提示"受限制的连接"）。
这个地址段在同一链路上靠 ARP 还能互相通信，但不可路由（出不了本网段）。
排错意义很大：只要看到 PC 拿到 169.254 开头的地址，就说明"地址没配好"，此时去 ping 板子必然不通——不用再看网线、交换机，直接回去手工填一个同网段 IP 即可。
六、 小结与参考资料
1. 本篇小结
- IP 可以静态配置，也可以由 DHCP 自动分配；本工程用静态，理由是内存紧张、地址要可预测、不需要长期在线。
- DHCP 是应用层协议，跑在 UDP 上（服务器 67 / 客户端 68），起步时用
0.0.0.0和255.255.255.255绕开"没有 IP"的死循环。 - DORA 四步：DISCOVER → OFFER → REQUEST → ACK；REQUEST 要广播是为了让落选的服务器回收地址。
- DHCP 顺带下发掩码、网关、DNS；地址是"租"的，T1 找原服务器续租、T2 广播兜底。
- PC 拿到
169.254.x.x就是 DHCP 失败的标志，也是排查的起点。 - 本工程
LWIP_DHCP = 0，dhcp.c被宏裁成空实现，仅作源码对照。
2. 参考资料
- 本工程网络配置（静态宏）：
lwip_comm.h - 协议栈裁剪（
LWIP_DHCP = 0）：lwipopts.h - DHCP 源码（被宏裁空，可作对照阅读）：
dhcp.c - 手册：
STM32F1 LWIP开发手册(DM9000版)_V1.1.pdf第 1.4 节
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