最近遇到有关wifi+ip+dns的问题,了解到udhcpc是入口.于是把源码拉出来分析了一下.

udhcpc 的核心可以先理解成一句话：它是一个事件驱动的 DHCP 客户端进程，内部维护 DHCP 状态机，通过 raw socket 或 UDP socket 收发 DHCP 包，拿到租约后把服务端下发的配置转成环境变量，再调用外部脚本真正配置网卡、路由和 DNS。

1. 代码分布

主要文件：

文件 角色
networking/udhcp/dhcpc.c udhcpc 主体：命令行解析、状态机、收发包调度、脚本回调
networking/udhcp/dhcpc.h client_data_t，保存客户端运行时状态
pnetworking/udhcp/common.h DHCP 包结构、option 编号、共享函数声明
networking/udhcp/common.c DHCP option 表、option 扫描/拼接/字符串转换
networking/udhcp/packet.c DHCP 包初始化、raw packet 发送、kernel UDP packet 发送/接收
networking/udhcp/socket.c 读取接口信息、创建监听 UDP socket
networking/udhcp/signalpipe.c 把信号转成 pipe 事件，供主循环 poll() 统一处理
networking/udhcp/arpping.c 可选地址冲突检测，FEATURE_UDHCPC_ARPING 打开时使用
examples/udhcp/simple.script 示例脚本：根据环境变量配置 IP、默认路由、DNS

构建关系在 networking/udhcp/Kbuild.src：打开 CONFIG_UDHCPC 后会编进 common.o、packet.o、signalpipe.o、socket.o 和 dhcpc.o；打开 ARP 检测后额外编进 arpping.o。入口 applet 定义在 networking/udhcp/dhcpc.c:20，对象声明在 networking/udhcp/dhcpc.c:22。

配置入口在 networking/udhcp/Config.src:68：UDHCPC 是面向嵌入式系统的 DHCP client。默认接口由 UDHCPC_DEFAULT_INTERFACE 控制，默认是 eth0；默认脚本由 UDHCPC_DEFAULT_SCRIPT 控制，默认是 /usr/share/udhcpc/default.script，见 networking/udhcp/Config.src:99。

2. 总体架构

可以把 udhcpc 分成四层：

命令行 / ifupdown
        |
        v
udhcpc_main()
  - 初始化 client_data
  - 解析 -i/-s/-p/-r/-O/-x/-q/-n/-R 等参数
  - 建立 signal pipe
  - 进入主事件循环
        |
        v
DHCP 状态机
  INIT_SELECTING -> REQUESTING -> BOUND -> RENEWING -> REBINDING
        |              |           |          |             |
        v              v           v          v             v
  DISCOVER         REQUEST      script      unicast       broadcast
  raw broadcast    raw bcast    bound       renew         renew
        |
        v
协议与 socket 层
  - common.c/common.h: DHCP 包和 option 解析
  - packet.c: raw/kernel packet 收发
  - socket.c: 接口信息和监听 socket
        |
        v
外部脚本
  deconfig / leasefail / bound / renew / nak
  用环境变量配置地址、路由、DNS

注意：udhcpc 自己并不直接执行 ip addr add、route add 或写 resolv.conf。它只负责 DHCP 协议协商；系统配置动作交给 -s PROG 指定的脚本完成。examples/udhcp/simple.script:17 之后就是典型脚本事件分发。

3. 核心数据结构

struct client_data_t 是整个客户端的运行时上下文，定义在 networking/udhcp/dhcpc.h:10：

字段 含义
client_mac[6] 本机接口 MAC，用于 chaddr 和默认 client-id
ifindex 接口 index，raw socket 发包要用
xid DHCP transaction id，用来过滤不属于自己的回应
opt_mask -O 和默认请求 option 的 bitmask
interface 网卡名，默认来自 CONFIG_UDHCPC_DEFAULT_INTERFACE
pidfile -p 指定的 pidfile
script -s 指定的事件脚本
options 要发给服务端的 DHCP options，主要来自 -x、vendor、client-id
envp 传给脚本的环境变量临时链表
first_secs/last_secs 填 DHCP secs 字段，用于记录协商持续时间
sockfd 当前监听 socket
listen_mode 当前监听模式：none、kernel UDP、raw
state DHCP 状态机状态

为了节省嵌入式场景下的数据段，client_data 不是普通全局变量，而是映射到 BusyBox 共享 buffer 的后半段，见 networking/udhcp/dhcpc.h:31。

DHCP 报文结构是 struct dhcp_packet，定义在 networking/udhcp/common.h:33。它基本对应 BOOTP/DHCP 报文：op/htype/hlen/xid/secs/flags/ciaddr/yiaddr/siaddr/giaddr/chaddr/sname/file/cookie/options。options 的大小是 DHCP_OPTIONS_BUFSIZE + CONFIG_UDHCPC_SLACK_FOR_BUGGY_SERVERS，用于兼容一些发送超长 option 区域的 DHCP server。

4. 启动阶段

入口函数是 udhcpc_main()，在 networking/udhcp/dhcpc.c:1198。

启动时的关键步骤：

  1. 调用 setup_common_bufsiz() 初始化 BusyBox 共享 buffer。
  2. 设置默认值：服务端端口 67、客户端端口 68、默认接口、默认脚本、默认 vendor 字符串，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1220。
  3. 调用 udhcp_sp_setup() 建立 signal pipe，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1230 和 networking/udhcp/signalpipe.c:37。
  4. 用 getopt32long() 解析命令行，选项声明在 networking/udhcp/dhcpc.c:55 和 networking/udhcp/dhcpc.c:1235。
  5. 处理用户传入的 DHCP options：-O 写入 opt_mask，-x 经过 udhcp_str2optset() 转成二进制 option 链表，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1286 和 networking/udhcp/common.c:566。
  6. 如果没有 -C 且用户没有自定义 client-id，就默认生成 ethernet client-id，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1320。
  7. 调用 udhcp_read_interface() 读取接口 index 和 MAC，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1334 和 networking/udhcp/socket.c:28。
  8. 写 pidfile、打印启动日志、初始化状态为 INIT_SELECTING，并先执行一次 deconfig 脚本，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1354。

启动完成后，代码进入 for (;;) { ... } 主循环，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1367。

5. 主事件循环

主循环用 poll() 同时等待两类事件：

事件 来源 处理方式
信号事件 signalpipe.c 的 fd 3 SIGUSR1 续租、SIGUSR2 释放、SIGTERM 退出
网络包事件 当前 client_data.sockfd 按当前 listen mode 选择 raw 或 kernel UDP 接收
超时事件 poll() timeout 根据当前 DHCP state 主动发包或状态跳转

udhcp_sp_fd_set() 把 signal pipe 和可选网络 socket 放进 pollfd[2]，见 networking/udhcp/signalpipe.c:68。信号处理器不直接改状态，只把信号号写入 pipe，主循环再通过 udhcp_sp_read() 读取，这样避免在异步 signal handler 里做复杂逻辑。

超时是状态机前进的主要驱动力。例如初始状态超时会发送 DHCPDISCOVER，BOUND 超时会进入 RENEWING，RENEWING 超时可能进入 REBINDING。

6. DHCP 状态机

状态定义在 networking/udhcp/dhcpc.c:981：

状态 含义
INIT_SELECTING 初始或重新开始协商
REQUESTING 已收到 DHCPOFFER，正在请求这个租约
BOUND 已拿到租约，等待半个 lease 时间后续租
RENEWING 租约过半，向原 server 单播续租
REBINDING 单播续租失败，租约快结束，广播续租
RENEW_REQUESTED 用户通过 SIGUSR1 手动请求续租
RELEASED 用户通过 SIGUSR2 或退出释放租约

主路径如下：

INIT_SELECTING
  send_discover()
  recv DHCPOFFER
      |
      v
REQUESTING
  send_select()
  recv DHCPACK
      |
      v
BOUND
  run script "bound"
  wait lease_remaining / 2
      |
      v
RENEWING
  send_renew(server_id, requested_ip)
  recv DHCPACK -> run script "renew" -> BOUND
  no response and lease almost expired
      |
      v
REBINDING
  send_renew(0, requested_ip) as broadcast
  recv DHCPACK -> run script "renew" -> BOUND
  lease expired
      |
      v
INIT_SELECTING
  run script "deconfig"

INIT_SELECTING

第一次进入或丢失租约后进入。代码在 networking/udhcp/dhcpc.c:1433。

动作：

  • 第一次发包前切到 LISTEN_RAW，因为此时本机还没有 IP，需要接收广播回应。
  • 生成新的 xid。
  • 调用 send_discover(requested_ip) 广播 DHCPDISCOVER。
  • 等待 discover_timeout 秒，默认 3 秒。
  • 超过重试次数后执行 leasefail 脚本，再根据 -b、-n、-A 决定后台等待、退出或稍后重试。

收到 DHCPOFFER 后，代码读取 DHCP_SERVER_ID 和 yiaddr，保存为 server_id 与 requested_ip，然后进入 REQUESTING，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1651。

REQUESTING

代码在 networking/udhcp/dhcpc.c:1472。

动作：

  • 调用 send_select(server_id, requested_ip) 广播 DHCPREQUEST。
  • 这个包包含 DHCP_REQUESTED_IP 和 DHCP_SERVER_ID，表示“我选择这个 server 提供的这个地址”。
  • 最多重试 3 次，超时后回到 INIT_SELECTING 的失败流程。

收到 DHCPACK 后进入租约生效流程；收到 DHCPNAK 后执行 nak 脚本，必要时 deconfig，然后回到 INIT_SELECTING，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1799。

BOUND

收到 DHCPACK 后先关闭监听 socket，读取租约时间 option 51，默认 1 小时。此时地址还没有真正交给脚本配置，udhcpc 还有机会做最后检查。

如果编译时打开 FEATURE_UDHCPC_ARPING，并且运行时带了 -a[MSEC]，udhcpc 会在执行 bound/renew 脚本前调用 arpping() 检测服务端给的 yiaddr 是否已经被同一二层网络里的其他主机占用，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1739 和 networking/udhcp/arpping.c:36。

ARP 检测的目的不是检查网关是否可达，也不是检查网络是否通，而是防止 IP 冲突：

收到 DHCPACK，server 给出 yiaddr
  -> 发送 ARP request: 谁在用这个 IP？
      |
      |-- 没有 ARP reply
      |     -> 认为地址可用
      |     -> 执行 bound/renew 脚本配置 IP
      |
      |-- 收到 ARP reply
            -> 说明地址已被占用
            -> 发送 DHCPDECLINE 给 DHCP server
            -> 不执行 bound/renew 配置脚本
            -> 回到 INIT_SELECTING 重新申请

源码里 arpping() 返回值也按这个语义设计：返回 1 表示没有收到 ARP reply，地址看起来可用；返回 0 表示收到冲突回应。冲突时 udhcpc 会打印 offered address is in use，调用 send_decline(server_id, packet.yiaddr)，然后把状态改回 INIT_SELECTING，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1750。

通过 ARP 检测后，才执行脚本事件：

  • 从 REQUESTING 进入时执行 bound。
  • 从 RENEWING/REBINDING 续租成功时执行 renew。

这段逻辑在 networking/udhcp/dhcpc.c:1704 和 networking/udhcp/dhcpc.c:1773。

执行脚本后，如果有 -q 就退出；否则如果不是前台模式，MMU 平台会后台化；最后设置 timeout = lease_remaining / 2，回到 BOUND 等待半个租约时间，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1779。

RENEWING

BOUND 等到半个租约时间后进入 RENEWING，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1486。

动作：

  • 切到 LISTEN_KERNEL，也就是普通 UDP socket。
  • 调用 send_renew(server_id, requested_ip) 单播给原 DHCP server。
  • 包里设置 ciaddr = requested_ip，并且不再带 requested IP 和 server identifier，符合 DHCP renew 语义，见 networking/udhcp/dhcpc.c:779。

如果没有回应但剩余租约还大于 30 秒，udhcpc 会关闭 socket，回到 BOUND 再等一段时间后继续尝试。若租约快结束，则进入 REBINDING。

REBINDING

代码在 networking/udhcp/dhcpc.c:1530。

动作：

  • 切回 LISTEN_RAW。
  • 调用 send_renew(0, requested_ip) 广播续租。
  • 如果收到 DHCPACK，执行 renew 脚本并回到 BOUND。
  • 如果租约到期仍无回应，执行 deconfig，回到 INIT_SELECTING 重新发现。

RELEASED

释放逻辑在 perform_release()，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1106。

触发方式：

  • 收到 SIGUSR2。
  • 退出时带 -R，即 release on quit。

如果当前处于已持有租约相关状态，udhcpc 会发送 DHCPRELEASE；无论是否真的发出 release，都会执行 deconfig 脚本，然后进入 RELEASED。

7. 两种监听模式

listen_mode 定义在 networking/udhcp/dhcpc.c:981：

模式 socket 使用场景
LISTEN_NONE 无监听 socket 不需要收包，或等待下一次动作
LISTEN_RAW PF_PACKET/SOCK_DGRAM 尚无 IP 时接收广播 DHCP 包
LISTEN_KERNEL PF_INET/SOCK_DGRAM 已有 IP 后接收单播续租回应

切换函数是 change_listen_mode()，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1086。它会先关闭旧 socket，再根据新模式创建 socket。

raw socket 创建在 udhcp_raw_socket()，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1002。它绑定到接口 index，接收 IPv4 以太网帧，并在 d4_recv_raw_packet() 中手动检查 IP/UDP 头、checksum、DHCP magic cookie，见 networking/udhcp/dhcpc.c:871。

kernel UDP socket 创建在 udhcp_listen_socket()，见 networking/udhcp/socket.c:79。它绑定 UDP port 68，并用 SO_BINDTODEVICE 绑定网卡。kernel 模式收包用 udhcp_recv_kernel_packet()，只需读取 DHCP payload 并检查 magic cookie，见 networking/udhcp/packet.c:83。

为什么要两种模式：

  • 没拿到 IP 前，普通 UDP socket 很难完整处理 0.0.0.0:68 到广播包的场景，所以用 raw socket。
  • 拿到 IP 后续租时，客户端已经配置了地址，可以用 kernel UDP 栈处理单播，代码更简单，也符合 renew 的发送路径。

8. 发包路径

发包函数主要在 dhcpc.c：

函数 DHCP 消息 特点
send_discover() DHCPDISCOVER raw broadcast，可能带 requested IP
send_select() DHCPREQUEST raw broadcast，带 requested IP 和 server ID
send_renew() DHCPREQUEST 可单播或广播，设置 ciaddr
send_decline() DHCPDECLINE ARP 检测发现地址冲突时广播
send_release() DHCPRELEASE 释放租约，通常单播给 server

send_decline() 只在 ARP 地址冲突检测失败时使用。它告诉 DHCP server：“你刚给我的地址已经有人在用，我拒绝这个地址。”发送后客户端不会配置该地址，而是重新进入发现流程。这个行为对应 RFC 2131 里客户端在发现地址已占用时必须发送 DHCPDECLINE 并重新开始配置的要求，源码注释也直接引用了这一段，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1741。

每个发包函数都会先调用 init_packet()，再添加特定 option。init_packet() 会调用 udhcp_init_header() 填 op/htype/hlen/cookie/message type，再填 xid、secs 和 chaddr，见 networking/udhcp/dhcpc.c:590 和 networking/udhcp/packet.c:16。

通用 option 添加在 add_client_options()，见 networking/udhcp/dhcpc.c:608：

  • 添加最大 DHCP 包大小 DHCP_MAX_SIZE。
  • 根据 opt_mask 生成 parameter request list，也就是 option 55。
  • 如果 -B 且 ciaddr == 0，设置 broadcast flag。
  • 把 -x、vendor、client-id 等用户/默认 option 加入包。

底层发送分两类：

  • udhcp_send_raw_packet() 自己构造 IP/UDP 头并通过 PF_PACKET 发出，见 networking/udhcp/packet.c:108。
  • udhcp_send_kernel_packet() 让 kernel 处理 IP/UDP 头，通过普通 UDP socket 发出，见 networking/udhcp/packet.c:194。

9. 收包过滤路径

收到网络事件后，主循环按当前模式调用不同接收函数：

  • LISTEN_KERNEL：udhcp_recv_kernel_packet()。
  • LISTEN_RAW：d4_recv_raw_packet()。

读取成功后，还要经过三层过滤：

  1. xid 必须等于 client_data.xid，否则不是本次事务的包，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1628。
  2. hlen 必须是 6，chaddr 必须等于本机 MAC，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1636。
  3. 必须有 DHCP_MESSAGE_TYPE option，见 networking/udhcp/dhcpc.c:1645。

通过过滤后，才按当前状态解释 DHCPOFFER、DHCPACK、DHCPNAK。

10. Option 解析和脚本环境变量

common.c 里有一张 DHCP option 描述表 dhcp_optflags[]，见 networking/udhcp/common.c:17。它描述每个 option 的类型、是否是 list、是否默认请求。对应的脚本环境变量名在 dhcp_option_strings[]，见 networking/udhcp/common.c:92。例如：

  • option 1 -> subnet
  • option 3 -> router
  • option 6 -> dns
  • option 12 -> hostname
  • option 15 -> domain
  • option 51 -> lease
  • option 54 -> serverid

option 扫描流程：

  1. init_scan_state() 初始化扫描状态。
  2. udhcp_scan_options() 顺序读取 [code][len][data...]，支持 DHCP option overload，即 option 区域不够时继续扫描 file 和 sname 字段。
  3. udhcp_get_option() 查找指定 option。
  4. udhcp_get_option32() 只接受长度为 4 的 option，适合 lease time、server id 等字段。

这些函数在 networking/udhcp/common.c:233 到 networking/udhcp/common.c:351。

脚本环境变量由 fill_envp() 生成，见 networking/udhcp/dhcpc.c:465：

  • 总是生成 interface=<ifname>。
  • 遍历 DHCP options，已知 option 按类型转成可读字符串；未知 option 生成为 optNNN=<hex>。
  • subnet option 额外生成 mask=<prefix_len>。
  • yiaddr 生成为 ip=<address>。
  • siaddr、giaddr、boot_file、sname 在存在时也会导出。

随后 d4_run_script() 调用外部脚本，参数是事件名，例如 bound、renew、deconfig，见 networking/udhcp/dhcpc.c:558。

示例脚本 examples/udhcp/simple.script 说明了这些变量如何被消费：

  • deconfig：清空接口 IPv4 地址并拉起接口，见 examples/udhcp/simple.script:18。
  • bound|renew：配置 $ip/$subnet，添加 $router 默认路由，写入 $dns 到 resolv.conf，见 examples/udhcp/simple.script:28。

11. 信号语义

udhcpc 支持三个主要信号，usage 文本在 networking/udhcp/dhcpc.c:1194：

信号 行为
SIGUSR1 手动续租。如果已经释放，则重新进入 INIT_SELECTING
SIGUSR2 释放当前租约，执行 deconfig，进入 RELEASED
SIGTERM 退出；如果带 -R，退出前 release

信号不是直接在 handler 中处理。signal_handler() 只把信号号写入 pipe，见 networking/udhcp/signalpipe.c:26；主循环在 networking/udhcp/dhcpc.c:1560 读取并处理。

12. ifupdown 集成

BusyBox ifupdown 可以调用 udhcpc。相关代码在 networking/ifupdown.c:637 和 networking/ifupdown.c:677。

默认传给 ifup 的 udhcpc 选项来自 IFUPDOWN_UDHCPC_CMD_OPTIONS，默认是 -R -n，见 networking/Config.src:90：

  • -R：退出时 release IP。
  • -n：拿不到 lease 就退出。

ifdown 时会读取 /var/run/udhcpc.%iface%.pid 并 kill 对应进程，见 networking/ifupdown.c:713。

13. 谁会启动 udhcpc

udhcpc 是一个普通用户态程序，真正启动它的通常是网络管理层、服务脚本或用户手动命令。BusyBox 源码和示例里能看到这些触发路径：

手动命令

最直接的方式是用户或脚本直接执行：

udhcpc -i eth0 -s /usr/share/udhcpc/default.script

这种方式绕过 ifupdown，直接启动 DHCP 协议协商。

ifup

如果 /etc/network/interfaces 里把接口配置为 DHCP：

auto eth0
iface eth0 inet dhcp

执行：

ifup eth0

ifupdown 会根据 iface eth0 inet dhcp 选择 DHCP client。若启用了 BusyBox 内置 udhcpc 路径，最终会执行类似：

udhcpc <IFUPDOWN_UDHCPC_CMD_OPTIONS> -p /var/run/udhcpc.eth0.pid -i eth0 ...

对应源码在 networking/ifupdown.c:637 和 networking/ifupdown.c:677。

service / runsv 服务脚本

BusyBox 示例还提供了 supervision 风格的 DHCP service。examples/var_service/dhcp_if/run 会先把接口 up，然后直接 exec udhcpc：

udhcpc -vv \
  --foreground \
  --interface="$if" \
  --pidfile="$pwd/udhcpc.pid" \
  --script="$pwd/dhcp_handler"

这类场景里，udhcpc 不是由 ifup 启动，而是由 runsv、svc 或类似服务管理器启动。示例说明见 examples/var_service/README:99，实际启动命令见 examples/var_service/dhcp_if/run:13。

ifplugd 间接触发

ifplugd 本身不执行 DHCP 协议，它负责监控网线插拔或链路 up/down。BusyBox 示例里，链路 up 时 ifplugd_handler 会执行：

svc -u "dhcp_$1"

这会启动对应的 dhcp_<iface> service，而该 service 的 run 脚本再启动 udhcpc。链路 down 时则执行 svc -d "dhcp_$1" 停掉 DHCP service。对应示例在 examples/var_service/ifplugd_if/ifplugd_handler:12。

关系可以概括为：

手动命令
  -> udhcpc

ifup eth0
  -> ifupdown
  -> udhcpc

ifplugd 检测到 link up
  -> svc -u dhcp_eth0
  -> runsv 启动 dhcp_if/run
  -> udhcpc

init/rcS/system service 脚本
  -> udhcpc

注意反方向：udhcpc 拿到租约后会调用 -s 指定的脚本，例如 default.script 或 dhcp_handler。这些脚本通常是被 udhcpc 调用来配置 IP、路由和 DNS，不是用来启动 udhcpc 的。

14. 一次完整协商的源码路径

以正常拿到租约为例：

udhcpc_main()
  -> 参数解析、初始化 client_data
  -> d4_run_script_deconfig()
  -> state = INIT_SELECTING

INIT_SELECTING timeout
  -> change_listen_mode(LISTEN_RAW)
  -> send_discover()
     -> init_packet(DHCPDISCOVER)
     -> add_client_options()
     -> udhcp_send_raw_packet()

收到 DHCPOFFER
  -> d4_recv_raw_packet()
  -> 校验 xid/chaddr/message type
  -> 保存 server_id 和 requested_ip
  -> state = REQUESTING

REQUESTING timeout
  -> send_select(server_id, requested_ip)
     -> init_packet(DHCPREQUEST)
     -> 添加 requested IP + server ID
     -> add_client_options()
     -> udhcp_send_raw_packet()

收到 DHCPACK
  -> 读取 lease time
  -> 可选 arpping 检测地址冲突
  -> fill_envp()
  -> d4_run_script(packet, "bound")
  -> state = BOUND
  -> timeout = lease_remaining / 2

后续续租路径：

BOUND timeout
  -> state = RENEWING
  -> change_listen_mode(LISTEN_KERNEL)
  -> send_renew(server_id, requested_ip)

收到 DHCPACK
  -> d4_run_script(packet, "renew")
  -> state = BOUND