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【计网 II】地址分配和转换

2024-02-25

学习笔记/计算机网络

DHCP

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NAT

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地址分配

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地址转换

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计网

前言#

这一章主要介绍了网络地址的分配和转换。地址分配可以分为静态和动态，地址转换可以分为IPv4和IPv6。

地址分配#

我们在之前已经学习到了如何给终端设备静态分配地址，在网络适配器中可以自行调整。但是这对于用户来说不仅需要知道当前网络的网关信息、子网掩码等等，无疑加大了普通用户的难度。使用IP地址动态分配可以减轻IP地址分配的管理负担。

常见的动态地址分配协议是 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议)，DHCP以客户端/服务器模式工作，可用于IPv4和IPv6。

DHCP使用 UDP 作为其传输协议。DHCPv4 客户端 通过 端口67 向DHCPv4服务器发送消息。 服务器 通过 端口68 向客户端发送消息。从 服务器 发送的DHCPv6消息使用UDP 端口546 。 客户端 使用UDP 端口547 向服务器发送DHCPv6消息。

在DHCP中，动态分配的IP具有一定的租期(lease)，租期由服务器设置。客户端向服务器申请IP的时候一般分为4步，以v4为例。

客户端通过发送 广播DHCPDISCOVER 来定位DHCPv4服务器，广播DHCPDISCOVER可能到达多个服务器。
如果DHCPv4服务器可以提供客户端IP配置（可能包括IP地址、默认网关、DNS服务器和租用时间），则它将通过发送 单播DHCPOFFER 进行回复。
客户机通过发送 广播DHCPREQUEST ，让所有服务器知道接受了哪个服务器提供的IP配置。
服务器发送 单播确认DHCPACK ，使配置正式生效。

如果客户端检测到该地址 已经在本地网段上使用 ，它会发送一个 DHCPDECLINE 消息，然后重新开始该过程。

动态分配的IP租赁时间到期时，客户端必须重新申请，称为续期(lease renewal)， 服务器一般会重新分配相同的地址给同一个客户端 。此时只需要重复上述第三第四步即可。

如果客户端 不再需要IP地址 ，客户端将向服务器发送 DHCPRELEASE 消息。

我们在实际网络拓扑中，可能存在客户端和 DHCPv4 服务器不在同一网段上并被路由器隔开的情况，此时路由器会进行 DHCPv4中继 ，将广播请求转发到指向DHCPv4服务器的地址上。此时信息的MAC地址会变化，如图：

地址转换#

IPv4转换#

由于IPv4地址的数量有限，不能满足所有设备的需求，尤其是在大型组织或公司中。同时地址转换也提高了安全性， 内部网络的设备使用的是私有IP地址 ，外部攻击者就无法直接访问到内部网络的设备。此外，如果需要更换ISP或更改网络结构， 只需要更改少量的公共IP地址 ，而不需要更改内部网络中的私有IP地址。

地址转换通常使用 NAT(Network Address Translation)技术，它可以将主机的内部私有IP地址转换为外部可路由的公共IP地址。

当数据包通过边界路由器时， 源 IP 地址 会从内部专用地址转换为可路由的公共地址。当回复数据包返回时， 目的 IP 地址 字段中的公共地址又会被转换回内部专用地址，以便在内部网络内传送。私有地址和公有地址之间的映射关系由边关路由器的 NAT表 控制。

NAT中对于一个内网设备，存在以下四种地址：

Inside Local Address：这是 内部网络中设备的实际IP地址 。这些地址通常是私有IP地址，如192.168.1.2。
Inside Global Address：这是 内部网络设备在公有地址 。这通常是分配给路由器的公网IP地址。
Outside Local Address：这是 外部设备在内部网络中的表示地址 。在基本的NAT配置中， Outside Local Address通常与Outside Global Address相同 。
Outside Global Address：这是 外部设备在公共网络上的实际地址 。

我们通过一个例子来展示它们之间的区别。

假设我们有一个内部网络，其中一个设备PC2的内网IP是192.168.1.2。这个设备通过一个NAT路由器连接到互联网。NAT路由器的公有IP地址（Inside Global Address）是200.200.200.1。现在，这个内部设备想要访问一个在互联网上的服务器。这个服务器的IP地址是154.51.100.1。如图，对于这个PC2来说，可以得到这些地址：

Inside Local Address是192.168.1.2（PC2的实际地址）。
Inside Global Address是200.200.200.1（内部设备在公共网络上的表示地址）。
Outside Local Address是154.51.100.1（外部服务器在内部网络中的表示地址）。
Outside Global Address也是154.51.100.1（外部服务器在公共网络上的实际地址）。

当内部设备发送数据包到外部服务器时，数据包的源IP地址会从Inside Local Address（192.168.1.2）被转换为Inside Global Address（200.200.200.1），目标IP地址保持不变（154.51.100.1）。当外部服务器回应时，数据包的目标IP地址会从Inside Global Address（200.200.200.1）被转换回Inside Local Address（192.168.1.2），源IP地址保持不变（154.51.100.1）。这样，内部设备就可以通过NAT路由器与外部服务器进行通信。

因为此时外部服务器的地址为公网地址，所以Outside Local Address = Outside Global Address。

在某些情况下，Outside Local Address和Outside Global Address可能不同。这通常发生在一种称为双重NAT或多层NAT的情况下，其中多个NAT设备位于数据包的传输路径上。

NAT根据不同的情况有多种转换类型：

静态NAT(Static NAT)
动态NAT(Dynamic NAT)
动态NAT重载(Dynamic NAT Overloading)或端口地址转换（PAT, Port Address Translation）
静态NAT重载或端口转发(Static NAT Overloading or port forwarding)

静态NAT 是一种 一对一的映射 ，它将一个内部IP地址映射到一个公共IP地址。例如，一个内部网络中的设备可能有一个私有IP地址（如192.168.1.201），而在公共网络上，它被表示为一个公共IP地址（如200.0.0.1）。这种映射是固定的，不会随着时间或会话的变化而变化。静态NAT通常用于将公共IP地址映射到需要从Internet访问的内部服务器，例如Web服务器或邮件服务器。

动态NAT 是一种 多对一或多对多的映射 ，它将多个内部IP地址映射到一个或多个 公共IP地址(NAT IP池) 。这种映射是动态的，可以根据需要或会话的变化而变化。公共IP池中，内部地址的映射会选择一个没有使用的公共IP，当IP池中没有没被使用的公共IP则无法映射。内部地址的映射存在租期，租期到了后自动释放映射关系。动态NAT通常用于大型企业网络，其中有大量的内部设备需要访问Internet，但没有足够的公共IP地址供每个设备使用。

动态NAT可以动态分配映射关系，但在公共IP较少的情况下，大大限制了向外访问的能力。于是在动态NAT之上，提出了端口地址转换 PAT 。PAT不仅将内部IP地址映射到公共IP地址，还将内部端口号映射到公共端口号。这允许一个公共IP地址支持多个并发会话，每个会话都有一个唯一的公共端口号。这是家庭和小型企业网络中最常见的NAT类型，因为它允许多个设备共享一个公共IP地址。

同时，除了动态的PAT外，我们也有 静态的端口转发 。它允许外部设备通过指定的公共IP地址和端口号访问内部网络中的特定设备和服务。例如，你可能在家庭网络中有一个Web服务器，你希望从Internet上访问。你可以设置端口转发，将所有到达你的公共IP地址的HTTP请求（通常在端口80）转发到你的Web服务器的私有IP地址。 这种映射是固定的，不会随着时间或会话的变化而变化。

IPv6过渡与地址转换#

IPv4和IPv6之间因为协议而无法互相访问，随着互联网的发展，IPv4越来越少，越来越多的服务将使用IPv6。故为了实现IPv4到IPv6的过渡和访问，需要进行一些地址转换。

从IPv4过渡到IPv6有三种常见的方法：

双栈 (Dual Stack)：双栈方法是在同一设备上 同时运行IPv4和IPv6协议 。这种方法的优点是它允许IPv4和IPv6网络无缝地共存，而不需要任何特殊的转换或隧道技术。设备可以根据目标地址或网络策略选择使用IPv4或IPv6。例如，一个双栈路由器可能有一个IPv4地址（如200.0.0.1）和一个IPv6地址（如2001:abcd:ef::1）。它可以根据目标地址或网络策略选择使用IPv4或IPv6来发送和接收数据包。
隧道技术 (Tunneling)： 隧道技术是一种将IPv6数据包封装在IPv4数据包中进行传输的方法。 这种方法的优点是它允许IPv6设备 通过IPv4网络进行通信 ，即使这些设备并不直接连接到IPv6网络。例如，一个IPv6设备可能在一个IPv4网络中，但它需要访问一个IPv6网络。在这种情况下，设备可以创建一个IPv6在IPv4的隧道，将IPv6数据包封装在IPv4数据包中，然后通过IPv4网络将数据包发送到目标IPv6网络。
协议转换 (Protocol Translation)： 协议转换是一种将IPv6数据包转换为IPv4数据包（反之亦然）的方法。 这种方法的优点是它允许IPv4和IPv6设备直接进行通信，即使它们使用的是不同的IP版本。例如，一个IPv4设备可能需要访问一个IPv6网络。在这种情况下，一个协议转换网关可以将IPv4数据包转换为IPv6数据包，然后将数据包发送到目标IPv6网络。同样，当IPv6设备回应时，网关可以将IPv6数据包转换回IPv4数据包，然后将数据包发送回原来的IPv4设备。

隧道技术，就是在两个分隔的网络之间建立一个通道使得数据可以流通。例如，假设你有一个IPv6网络在地理位置A，而你需要在地理位置B的另一个IPv6网络上发送数据，但在这两个地方之间的网络只支持IPv4。在这种情况下， 你可以在位置A创建一个IPv6到IPv4的隧道 。 你将IPv6数据包封装在IPv4数据包中，然后通过IPv4网络将数据包发送到位置B 。 在位置B，数据包被解封装，原始的IPv6数据包被提取并发送到目标网络。

有一些常见的隧道技术：

手动隧道 (Manual Tunnel)：这是最基本的隧道技术，需要手动在两个端点上配置隧道。这种方法简单，但不适合大规模部署，因为每个隧道都需要单独配置。
GRE (Generic Routing Encapsulation)：GRE是一种通用的隧道协议，可以封装各种网络层协议。GRE隧道可以用于封装IPv6数据包在IPv4网络上的传输，也可以用于其他应用。
6to4：6to4是一种自动隧道技术，它使用特殊的IPv6地址，这些地址的前32位是固定的（2002::/16），后32位是IPv4地址。6to4隧道允许IPv6网络通过任意的IPv4网络进行通信。
6RD（IPv6 Rapid Deployment）是一种使用IPv4基础设施快速部署IPv6服务的方法。它是基于6to4隧道技术的一种改进，它允许使用任何范围的IPv6地址。
ISATAP (Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol)：ISATAP是一种在IPv4网络内部创建IPv6隧道的方法。它允许IPv6设备通过IPv4网络进行通信，即使这些设备并不直接连接到IPv6网络。

IPv6的协议转换常常与NAT地址转换在一起操作，称为 NAT-PT(Network Address Translation-Protocol Translation)。它不仅可以转换包头中的地址，还可以转换协议本身，使IPv4主机能够与IPv6主机进行通信，反之亦然。

静态NAT-PT：在静态NAT-PT中，网络管理员 手动配置IPv4和IPv6地址之间的一一映射 。这意味着每个IPv4地址都有一个对应的IPv6地址，反之亦然。这种方式的优点是它可以提供稳定的地址映射，但缺点是它不适合大规模部署，因为每对地址都需要单独配置。

动态NAT-PT：在动态NAT-PT中，IPv4和IPv6地址之间的映射是动态生成的。当一个IPv4主机需要与IPv6主机进行通信时，NAT-PT设备会自动为其分配一个IPv6地址。同样，当一个IPv6主机需要与IPv4主机进行通信时，NAT-PT设备也会自动为其分配一个IPv4地址。这种方式的优点是它可以自动处理地址映射，无需手动配置。但缺点是地址映射可能会频繁改变，这可能会影响到某些需要稳定地址的应用。