在现代计算机系统中，网络引导（Network Booting）已成为一种高效的部署方式，尤其适用于无盘工作站或大规模服务器环境。PXE（Preboot eXecution Environment）协议是实现这一功能的标准化框架，它允许引导加载程序（bootloader）在本地无操作系统的情况下，通过网络从远程服务器获取内核和镜像文件。本文聚焦于在 bootloader 中实现 PXE 客户端的核心组件：利用 DHCP 协议分配 IP 地址并发现 TFTP 服务器，通过 TFTP 协议检索内核 / 镜像，并处理 UDP 广播与错误恢复机制，以确保引导过程的可靠性和鲁棒性。这种实现不仅能减少硬件依赖，还能支持自动化安装和维护。
PXE 客户端的实现始于 DHCP 协议的集成，这是网络引导的入口点。DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）基于 UDP 协议运行，客户端需在端口 68 上广播 DISCOVER 消息（源端口 68，目标端口 67，广播地址 255.255.255.255），请求 IP 地址和 PXE 特定选项。服务器响应 OFFER 消息，包含客户端 IP（yiaddr 字段）、子网掩码（option 1）和 PXE 选项：option 66（TFTP 服务器 IP）和 option 67（引导文件名，如 pxelinux.0）。客户端随后发送 REQUEST 消息确认，并接收 ACK 消息完成 IP 分配。根据 Intel PXE 规范 2.1，PXE 客户端必须解析这些选项以定位 TFTP 服务器。在 bootloader 中，这通常使用 UNDI（Universal Network Driver Interface）驱动实现网络栈，代码需在实模式下运行，以兼容 BIOS 环境。证据显示，在开源项目如 iPXE 中，DHCP 客户端模块（src/net/dhcp.c）通过构造 BOOTP 包并处理 DORA（Discover-Offer-Request-ACK）流程，确保选项提取准确，避免 IP 冲突。
获取 IP 后，PXE 客户端转向 TFTP（Trivial File Transfer Protocol）下载引导文件。TFTP 同样基于 UDP（端口 69），使用简单请求 - 响应机制：客户端发送 RRQ（Read Request）包指定文件名和模式（octet），服务器以 DATA 包（每个块 512 字节）响应，客户端用 ACK 确认每个块，直至 ERROR 或零长度块结束传输。不同于 DHCP 的广播，TFTP 使用单播（源端口 ephemeral，目标端口 69 初始，后续高位端口）。在 bootloader 中，实现需管理有限内存缓冲区，逐块下载并验证完整性（如 checksum）。iPXE 的 TFTP 模块（src/net/tftp.c）展示了高效的块处理，支持 blksize 选项扩展块大小至 1468 字节，提高传输效率。实际证据表明，在 100Mbps 网络下，标准 512 字节块下载 10MB 内核需约 2-5 秒，优化后可减至 1 秒。
UDP 广播和单播处理的挑战在于 bootloader 的受限环境：无操作系统支持，需手动实现 IP/UDP 头部封装和校验。DHCP DISCOVER 使用广播确保发现服务器，而 TFTP 切换单播避免广播风暴。错误恢复是关键，确保可靠性：DHCP 阶段采用指数退避重试（初始 4 秒，次 8 秒，16 秒，32 秒，最多 4 次），超时后 fallback 到本地引导。TFTP 中，超时（默认 5 秒 / 块）触发重传当前块，重试 3-5 次；常见错误如 “File not found”（code 1）需解析并报告，用户可配置备用文件名。iPXE 源代码中，net/udp.c 处理 UDP 包路由，结合 retry 逻辑实现容错。在高延迟网络，证据显示增加超时阈值（10 秒）可降低 20% 失败率。
为落地实现，提供以下参数和清单：
DHCP 参数：
- 重试次数：4 次
- 超时间隔：4s, 8s, 16s, 32s
- 必需选项：1 (subnet mask), 3 (router), 66 (TFTP server), 67 (boot file)
- 包大小：≤576 字节（无分片）
TFTP 参数：
- 块大小：512 字节（可协商至 1468）
- 超时：5 秒 / 块，重试 5 次
- 模式：octet（二进制）
- 错误处理：解析 code 0-9，code 1/2 致命，code 0 重试
实现清单：
- 初始化 UNDI 驱动，获取 MAC 地址。
- 构造 DHCP DISCOVER（op=1, htype=1, secs=0, option 60="PXEClient"）。
- 循环接收 OFFER/ACK，解析选项，存储 IP/TFTP info。
- 构造 TFTP RRQ（"filename\0octet\0"），发送至 TFTP IP:69。
- 循环接收 DATA，发送 ACK（block num），累积文件至内存。
- 验证文件完整（长度匹配），跳转执行。
- 集成监控：日志超时 / 重试计数，fallback 机制。
这些参数基于 RFC 2131 (DHCP) 和 RFC 1350 (TFTP)，在 bootloader 如 GRUB 或自定义代码中可直接应用。实际部署中，测试网络延迟 < 50ms，确保成功率 > 95%。
总之，通过在 bootloader 中集成 DHCP 和 TFTP，PXE 客户端实现可靠网络引导。资料来源：Intel PXE Specification 2.1；iPXE 项目源代码（https://git.ipxe.org/ipxe.git）。