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）

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方案二、NAT

网络地址转换

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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：

1. 内网 IP / 私网 IP（重要）

   • 10.*
   • 172.16~172.31.*
   • 192.168.*

2. 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

1. 同一个局域网内，主机 A 访问主机 B
   不会涉及到 NAT 机制

2. 公网上的设备 A，访问公网上的设备 B
   不会涉及到 NAT 机制

3. 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

4. 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？

• 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

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• 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

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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

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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

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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

IPv6 提出的时间是在上个世纪 90 年代，时间上和 NAT 其实是差不多的。之所以 IPv6 举步维艰，因为 IPv6 和 IPv4 不兼容！

• 要想使用 IPv6，就要更换新的设备（能支持 IPv6 的设备）
• 在 IPv6 提出的当年，显然是不具备这样的条件的。换设备就得花钱，但花钱了网速又不会变快（用户感知不到好处）
  NAT 机制，只要给路由器设备更新升级软件即可，硬件不需要改变（成本非常低）

关于Ipv6，强烈推荐大家看一个视频：(https://www.bilibili.com/video/