解决IP不够用的问题

1. 根本矛盾：僧多粥少

IPv4 地址总共只有 43 亿个（2\^{32}）。

早在 2011 年，全球的 IPv4 地址就已经被分配光了。但是现在你家里可能就有 5 台设备（手机、电脑、iPad、电视...），全世界加起来设备早已超过几百亿。

如果不解决这个问题，大约 90% 的人都没法上网。

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2. 解决方案：公网 IP vs 私网 IP

为了省着用，工程师们想出了一个绝妙的办法："只有在公海上航行才需要合法执照，在自家小河沟里划船随便叫什么都行。"

于是，IP 地址被划分成了两类：

• 公网 IP (Public IP)： 全球唯一，必须花钱向运营商申请。这才是真正的"互联网门牌号"。
• 私网 IP (Private IP)： 免费，随便用，但是出不去互联网。

• • 你最眼熟的 192.168.x.x
  • 还有 10.x.x.x
  • 以及 172.16.x.x

现在的家庭网络架构通常是这样的：

• 你家里的所有设备（手机、电脑） ：用的全是私网 IP（比如 192.168.1.5, 192.168.1.6）。这些 IP 在互联网上是无效的，出了你家门就是废纸。
• 你的路由器 ：它是全家唯一的"富豪"，拥有一个运营商分配的公网 IP（比如 110.242.68.4）。

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3. 核心魔术：路由器如何"偷天换日"？

既然只有路由器有公网 IP，那你的手机是怎么刷到抖音的呢？全靠路由器的 NAT 功能。

我们可以把路由器想象成一家大公司的收发室。

场景模拟：你要给百度写信

1. 你（内网设备）：

• • 你想发请求给百度。
  • 寄信人：192.168.1.5 （你的内网 IP）
  • 收信人：百度 IP
  • 问题： 这封信如果直接扔到公网，回信时百度找不到 192.168.1.5 是谁（因为全世界有一亿人的电脑都叫这个）。

1. 路由器（NAT 转换）：

• • 信到了路由器这里，被拦截下来。
  • 路由器把信封上的"寄信人"擦掉，改成路由器自己的公网 IP。
  • 关键动作： 路由器在自己的小本本（NAT 映射表）上记一笔：

"刚才我用我的名义帮 192.168.1.5 发了一封信去百度，如果百度回信了，记得转给它。"

1. 百度（服务器）：

• • 收到信，一看寄信人是路由器的公网 IP。
  • 处理完，把回信发给路由器。

1. 路由器（逆向转换）：

• • 收到百度的回信。
  • 查小本本："哦，这是刚才帮 192.168.1.5 发的那个请求的回信。"
  • 把信封上的"收信人"擦掉，改回 192.168.1.5。
  • 把信转交给你。

结果： 你完全感觉不到中间发生了替换，你以为是你直接连上了百度。

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4. 进阶：如果全家人都在刷百度怎么办？(NAPT)

你可能会问："如果我和我爸同时访问百度，百度回了两封信，路由器怎么知道哪封是给我的，哪封是给爸爸的？"

这时候，传输层 的知识（端口号）就派上用场了！这叫 NAPT (Network Address Port Translation)。

路由器的小本本记得更详细：

|---------------------|----------|---------------|------------|--------|
| 内网 IP | 内网端口 | 转换后的公网 IP | 分配的新端口 | 目标 |
| 你 (192.168.1.5) | 1001 | 110.242.68.4 | 8001 | 百度 |
| 爸 (192.168.1.6) | 1001 | 110.242.68.4 | 8002 | 百度 |

• 当路由器收到发给 110.242.68.4:8001 的数据包，就知道是给你的。
• 当路由器收到发给 110.242.68.4:8002 的数据包，就知道是给爸爸的。

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5. 总结

• NAT 的本质： 用一个公网 IP 代表无数个内网设备上网。
• 好处： 极大地节省了 IPv4 地址（原本需要 10 个 IP 的家庭，现在只要 1 个）。
• 副作用： 外网无法主动访问内网（因为外网不知道你在内网的端口映射）。这就是为什么你在家里搭个网站，外面的人直接输 IP 访问不到你的原因（除非你在路由器上做"端口映射"）。

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