1、什么是IP地址？

1.1、背景

一台电脑数据可以直接存储在自己电脑的硬盘上，如果使用两台电脑可以使用网线连接，达到实时传输数据的目的，但是当需要使用多台电脑协同工作来提高效率，这时很明显网线的数量是完全不够的，因此交换机应运而生。

1.2、交换机

定义：交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。

网络交换机，是一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机。
以上来自交换机百度百科

交换机（Switch）的出现使得电脑不再是点对点的连接，而是由每台电脑接入交换机，由交换机来分发给不同的设备。

点对点连接：要传数据给哪台电脑，直接走相对应的接口传输即可，数据一定会传输到目标主机上。

当电脑都接入交换机，那电脑传到交换机的数据交换机不知道要将数据发送给哪台电脑？就像是没有写清楚具体地址的邮件包裹，因此数字虚拟地址（IP地址）出现。

电脑在发送数据到交换机的时候带上要发送到目标主机的IP地址，那么交换机就知道要怎么发送。

1.3、局域网

当一堆电脑 + 一台交换机就组成了一个小的可以交互的网络，称为局域网。

当加入新的局域网。两个局域网要相互通信，那就需要两个局域网的交换机进行点对点连接。

再继续发展，当一堆交换机需要连接的时候，交换机之间进行点对点连接的数量显然是非常庞大的，同样会出现接口和线缆过多的情况，那么交换机之间会连接新的交换机。

1.4、广域网

再发展，局域网设备越来越多，用户越来越多，最终几乎全球的用户都参与了到这个庞大的网络中，最终形成一个超级庞大的网络，就是广域网。

1.5、ISP 互联网服务提供商

广域网就是一个设备数量超级庞大的局域网。这样做也不容易，需要在各种重要的城市建设骨干服务器，还要在不同的区域布置分支服务器，并将线路布置到各个角落让我们去接入，需要大量的资金成本和后期维护，而做这些事情的就是 ISP 互联网服务提供商，也就是移动、联通和电信。这些都需要高成本，所以宽带都需要限速和计费。

2、IPV4

2.1、什么是IPV4？

网际协议版本4（英语：Internet Protocol version 4，IPv4），又称互联网通信协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。

2.2、IPV4的组成

IPv4使用32位二进制（4字节）地址，因此地址空间中只有约42亿个地址。不过，一些地址是为特殊用途所保留的，如专用网络（约1800万个地址）和多播地址（约2.7亿个地址），这减少了可在互联网上路由的地址数量。随着地址不断被分配给最终用户，IPv4地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和NAT（Network Address Translator, 网络地址转换）的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。但在2011年2月3日，在最后5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后，IANA的主要地址池已经用尽。
以上来自 IPV4百度百科

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但是不是所有的地址我们都能使用，详细看下图。

2.3、NAT 网络地址转换

2011年底，IPV4就已经枯竭了
2020年，亚太互联网信息中新发布出来一个新的地址，NAT，网络地址转换。
具体流程是：有5台电脑，ip分别是：192.168.0.1、192.168.0.2、192.168.0.3、192.168.0.4、192.168.0.5，路由器是接入广域网并执行NAT的，所以路由器就是网关，IP为6.6.6.6，当电脑A要访问广域网上一个IP为8.8.8.8的设备，则数据包从电脑A出来后，到达IP为6.6.6.6的网关，网关发现这个数据包是发往8.8.8.8的，就会将192.168.0.1发送来的数据包的IP映射成6.6.6.6，并记录好映射表，以6.6.6.6的IP把这个数据包发送给8.8.8.8。
这样，5台电脑发送的数据包都分别通过NAT把原有的IP转换成6.6.6.6，以6.6.6.6的IP把这个数据包发送给8.8.8.8。实现5台设备共用一个IP的效果。

2.4、端口映射

上面的情况会存在一个问题，当数据从8.8.8.8传到6.6.6.6的时候不知道要发送到下面哪个主机？这就引入了端口映射 port mapping。

IP地址:端口号
如：6.6.6.6:1000

即在IP地址后面增加一串端口号，网关会以不同的端口去和外网交互，然后把这些端口映射给局域网内的各个设备。传输数据的时候，除了IP地址的映射外，再额外加上端口号的映射，这样就可以实现共同一个IP还能精准传送数据了，以实现PAT多对一映射。

最后，在NAT和端口映射的技术加持下，才让IPv4苟延残喘的坚持了很多年。