合集 – 计算机网络(19)
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收起

引言

在上一章中，我们详细介绍了域名系统（DNS）和地址解析协议（ARP）的工作原理，从而对域名解析和介质访问控制（MAC）地址寻址有了更深入的了解。在今天的章节中，我们将继续探讨动态主机配置协议（DHCP）和网络地址转换（NAT）技术，以便更好地理解IP地址的动态分配和解决IPv4地址枯竭问题的NAT技术的引入。

DHCP

在我们日常生活中，动态主机配置协议（DHCP）是非常常见的，尽管我们可能从未直接配置过DHCP，但它与我们息息相关。举个例子，我们的手机需要上网，我们有没有手动配置过IP地址呢？肯定没有，这是因为我们的手机或者电脑已经自动通过DHCP进行了配置。我们的电脑通常会通过DHCP动态获取IP地址，这大大简化了繁琐的IP配置过程。

接下来，让我们一起来看看我们的电脑是如何通过四个步骤来获取IP地址的过程。

首先需要说明的是，DHCP客户端进程监听的是端口号68，而DHCP服务器进程监听的是端口号67。

DHCP交互过程一共包括4个步骤：

DHCP发现（DHCP DISCOVER）：客户端首先发送一个DHCP发现报文，由于客户端没有IP地址，也不知道DHCP服务器的地址，因此使用UDP广播通信。该报文使用广播目的地址255.255.255.255（端口67），并将源IP地址设置为0.0.0.0（端口68）。DHCP客户端将该报文传递给链路层，链路层将帧广播到所有网络设备。
DHCP提供（DHCP OFFER）：DHCP服务器收到DHCP发现报文后，用DHCP提供报文向客户端做出响应。该报文仍然使用广播地址255.255.255.255，其中包含服务器提供的可租用的IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器以及租用期。
DHCP请求（DHCP REQUEST）：客户端收到一个或多个服务器的DHCP提供报文后，从中选择一个服务器，并向选中的服务器发送DHCP请求报文，以确认所要求的配置参数。
DHCP确认（DHCP ACK）：最后，服务器用DHCP确认报文对DHCP请求报文进行响应，回应所要求的参数。一旦客户端收到DHCP确认后，交互过程完成，客户端可以在租用期内使用由DHCP服务器分配的IP地址。

如果租用的DHCP IP地址快要到期，客户端会向服务器发送DHCP请求报文：

如果服务器同意继续租用，则用DHCP确认报文进行响应，客户端将继续使用该IP地址并延长租期。
如果服务器不同意继续租用，则用DHCP否定确认（DHCP NACK）报文进行响应，客户端必须停止使用该租用的IP地址。

在DHCP交互过程中，全程使用UDP广播通信。

咦，我发现我们正在使用广播方式，但如果 DHCP 服务器和客户端不在同一个局域网中，而且路由器不会转发广播包，那难道每个网络都需要有一个独立的 DHCP 服务器吗？

为了解决这个问题，出现了 DHCP 中继代理。通过使用 DHCP 中继代理，我们可以统一由一个 DHCP 服务器来管理不同网段的 IP 地址分配。这样，我们就能够更有效地管理整个网络。

嗯，具体的运作过程是这样的：当 DHCP 客户端需要获取 IP 地址时，它会向 DHCP 中继代理发送 DHCP 请求包。而 DHCP 中继代理在接收到这个广播包后，会将其以单播的方式发送给 DHCP 服务器。

一旦服务器收到了这个包，它会向 DHCP 中继代理返回应答，并由 DHCP 中继代理将这个包转发给 DHCP 客户端。通过这种方式，即使 DHCP 服务器和客户端不在同一个链路上，我们仍然可以实现对 IP 地址的统一分配和管理。

有了 DHCP 中继代理的存在，我们可以更加灵活地设计和管理网络，不再需要为每个网络单独配置一个 DHCP 服务器，从而提高了网络的效率和可扩展性。

NAT

IPv4 地址的紧缺性是一个现实问题。尽管我们可以通过使用无分类地址来减缓 IPv4 地址消耗速度，但是互联网用户的快速增长仍然导致 IPv4 地址的耗尽风险。

为了应对这个问题，我们引入了网络地址转换（NAT）的方法，再次缓解了 IPv4 地址的耗尽问题。

简单来说，NAT 是一种技术，它在同一公司、家庭、教室等内部网络中的主机与外部通信时，将私有 IP 地址转换为公共 IP 地址。

如果每个私有IP地址都需要一个对应的公有IP地址的话，那么如何解决IPv4地址耗尽的问题呢？这种观点似乎有些站不住脚。

普通的NAT转换的确没有太多意义。不过，由于绝大多数的网络应用都是使用传输层协议TCP或UDP来传输数据，所以可以将IP地址和端口号一起进行转换。这样一来，只需要一个全球IP地址就可以了，这种转换技术被称为网络地址与端口转换NAPT。

或许这听起来有些抽象，但是通过下面的图解，你就能立即明白了。

在这个网络拓扑中，有两个客户端（192.168.1.10和192.168.1.11）同时与服务器（183.232.231.172）进行通信，这两个客户端的本地端口都是1025。

在这种情况下，两个私有IP地址都会被转换为公有地址120.229.175.121，但是通过使用不同的端口号进行区分。为了实现客户端A和B与服务器之间的同时通信，我们需要生成一个NAPT路由器的转换表。这个转换表可以正确地转换地址和端口的组合。这个转换表是在NAT路由器上自动生成的。例如，在TCP的情况下，当建立TCP连接的初始握手SYN包发送后，转换表就会被生成。当收到关闭连接的FIN包的确认应答时，该条目会从转换表中删除。

NAT 确实有着许多优点，但难道就没有任何局限性吗？

当然，没有任何方案是完美的，NAT也有一些缺陷。其中一些问题包括：

外部网络无法主动与NAT内部服务器建立连接，因为NAT转换表中没有相关记录。

生成和转换转换表会带来性能开销，可能会影响网络通信的速度和效率。

如果NAT路由器重启，所有的TCP连接都将被重置，可能导致网络中断和数据丢失。

NAT可能会导致网络延迟，尤其是在大量数据传输和高负载情况下。

虽然NAT在解决IPv4地址短缺问题和网络安全方面发挥了重要作用，但它也有这些限制和缺点。在实际应用中，需要权衡利弊并综合考虑其他解决方案。

总结

在本章中，我们学习了动态主机配置协议（DHCP）和网络地址转换（NAT）技术。DHCP是一种常见的协议，它简化了IP地址配置的过程，通过四个步骤来实现IP地址的动态分配。DHCP中继代理的引入使得在不同网络中只需要一个DHCP服务器来管理IP地址的分配。而NAT技术则解决了IPv4地址的紧缺问题，通过将私有IP地址转换为公共IP地址来实现内部网络与外部通信。NAT还可以实现网络地址与端口转换（NAPT），通过端口号的转换来实现多个客户端与服务器的通信。然而，NAT也存在一些局限性，例如无法主动建立连接和性能开销。综上所述，DHCP和NAT技术在网络中起到了重要的作用，但在实际应用中需要综合考虑其利弊。