【IP协议】解决 IP 地址不够用的问题（IP地址管理：动态分配、NAT、Ipv6）

news2024/9/27 13:59:21

文章目录

方案一、动态分配 IP 地址
方案二、NAT
- NAT 机制的缺点
方案三、IPv6

方案一、动态分配 IP 地址

一个设备上网就分配 IP，不上网就先不分配（权宜之计）

方案二、NAT

网络地址转换

以一当千，使用一个 IP，代表一大波设备

NAT 把 IP 地址分为两大类：

内网 IP / 私网 IP（重要）
- 10.*
- 172.16~172.31.*
- 192.168.*
外网 IP / 公网 IP：除了私网 IP 就都是公网 IP

要求公网 IP 必须是唯一的，但是私网 IP 在不同的局域网中是允许重复的

一台电脑上，有几个网卡就有几个 IP 地址，虚拟出来的网卡也算（软件模拟的网卡）
一般笔记本都会有：有线网卡和无线网卡，具体哪个生效就看你当前是用网线上网还是 WiFi 上网

NAT 网络地址转换

一个设备在进行上网的时候，IP 数据报中的 IP 地址，就会被 NAT 设备（通常就是路由器）进行自动修改

同一个局域网内，主机 A 访问主机 B
不会涉及到 NAT 机制
公网上的设备 A，访问公网上的设备 B
不会涉及到 NAT 机制
不同局域网中的主机 A 访问另一个局域网的主机 B
NAT 机制中，是不允许的

之前写 UDP 回服务器的时候，我这台电脑上启动 UDP 服务器，你使用 UDP 客户端是不能访问的

因为我处于我这里的局域网，你处于你们那的局域网
在 NAT 机制下，一个局域网中的主机 A 是无法访问领一个主机

局域网内部的设备 A，访问公网上的设备 B
NAT 机制主要就是针对这个情况进行生效

但凡是搭建一个服务器给别人使用，都是需要公网 IP 的

单个设备
此时我的电脑要想访问 CCtalk 这个服务器，就要构造一个 IP 数据报
数据包到达运营商路由器（NAT 设备）之后，就会进行网络地址转换
- 将源 IP 地址由我的 IP 地址变为运营商公网 IP 地址
- 所以 CCtalk 看到的数据包，源 IP 不是 192.168.111.222，而是 1.2.3.4

为什么进行这样的 IP 地址的替换就能提高 IP 地址的利用率呢？

其实日常上网的设备：手机、电脑、电视、空调等绝大部分都是在不同的局域网中
此时就相当于一个公网 IP 就可以代表一大批设备

运营商的公网 IP，不是服务一个设备，而是服务一个片区，可能有上万个设备。此时一个 IP 就代表了上万个设备，此时 IP 的利用率就大大提高了

就相当与你在网上买东西，写的收货地址是：北京市海淀区清华园清华大学
这个地址对应着几万个人，而不是你一个人

CCtalk 的响应如何正确地返回到我的电脑上呢？

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CCtalk 要构造一个响应数据包
达到运营商路由器之后，里面的目的 IP 就会被替换回我的电脑 IP
之后就能顺利达到我的电脑
运营商路由器这样的 NAT 设备能在发出和收回的时候都进行 IP 替换，就能使内网设备和外网设备进行连接

多个设备（同一个局域网内）

在网络通信中，不仅仅只有 IP 信息，还有一个关键的是端口号

端口号本来是来区分同一个主机上不同的应用程序的
在 NAT 中，就可以用于区分不同主机上不同的应用程序

在我的和你的数据包到达运营商路由器之后，要进行 IP 替换。同时运营商路由器会记录一个映射关系：

	旧 IP	旧端口	新 IP	新端口
	192.168.111.222	1234	1.2.3.4	1234
	192.168.333.444	1235	1.2.3.4	1235

返回数据包的时候

此时，CCtalk 服务器返回的响应数据也是有 IP，也是有端口
端口就决定这个返回值是给我还是给你
- 运营商路由器收到这个目的端口后，就会看原来记录的映射关系
- 根据传过来的目的端口，运营商路由器可以知道是哪个 IP 传过来的
- 之后再将这个目的端口对应的 IP 替换上去就可以传到对应的设备了
目的端口是 1234，就是传给我
目的端口是 1235，就是传给你

此处就是通过端口号，来区分不同主机的不同程序

是否可能出现：你和我的电脑上 CCtalk 源端口恰好是一样的？

这个概率非常小；客户端这里的源端口，是操作系统随机分配的空闲端口
就算你的端口号也是 1234，但是路由器建立映射关系表的时候，可以把端口号也替换成不重复的其他端口
NAT 既能替换 IP 中的 IP，也能替换 TCP/UDP 中的端口。这个就是 NAPT

我们当前的网络世界，主要就是 NAT 机制的支撑

NAT 机制的缺点

网络环境太复杂了
替换过程中，每一层路由器都需要维护映射关系
每次转发数据，都要查询映射关系
每个步骤都是开销

方案三、IPv6

从根本上解决了 IP 地址不够用的问题

IPv4 使用 32 位 4 个字节表示 IP 地址
IPv6 使用 128 位 16 个字节表示 IP 地址
16 个字节表示的 IP 地址数目，比 4 个字节的 IP 地址大： $2^{128}-2^{32}$ 。这个地址空间非常大，大到可以给地球上的每一粒沙子都分配一个唯一的 IPv6 地址