地址配置与转换：DHCP与NAT

动态主机配置协议DHCP

主机的IP地址可以由系统管理员手工配置，但更常见的做法是使用动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自动获取。DHCP让主机接入网络时“即插即用”，除了IP地址之外，它还能告诉主机子网掩码、默认网关（第一跳路由器）的地址和本地DNS服务器的地址。DHCP分配的地址有租用期（lease time），到期前必须续租，否则地址会被收回，供其他主机使用。

DHCP是客户/服务器协议，运行在UDP之上：客户使用端口68，服务器使用端口67。一台新主机获取地址需要四个步骤：

新主机一开始既没有自己的地址，也不知道服务器的地址，所以发现报文的源地址是0.0.0.0，目的地址是受限广播地址255.255.255.255。局域网上可能有多台DHCP服务器，它们都可能回复提供报文。客户在请求报文中回显自己选中的那个提供，并且仍然用广播发送，这样所有服务器都能知道选择结果，未被选中的服务器可以收回为它预留的地址。

租用期过半（$T_1 = 0.5 \times$租期）时，客户直接向原服务器单播请求续租；如果一直没有得到回答，到$T_2 = 0.875 \times$租期时改为广播请求，任何服务器都可以为它延长租期；租期届满仍无回答，客户就必须停止使用该地址，重新从发现报文开始。

网络地址转换NAT

4.3节介绍过，10.0.0.0/8、172.16.0.0/12和192.168.0.0/16这些私有地址只用于局域网，不能出现在公网上。可是家庭和企业网络里的主机确实需要访问因特网。网络地址转换NAT（Network Address Translation）解决了这个问题：NAT路由器面向因特网的一侧只有一个公网地址，内部网络则使用私有地址。对外部世界来说，整个内部网络就像一台只有一个IP地址的设备。

NAT路由器维护一张NAT转换表（NAT translation table），每个表项把一个公网端口号与一个内部的（IP地址，端口号）对应起来：

1. 内部主机10.0.0.1用源端口3345向Web服务器128.119.40.186:80发送数据报。
2. NAT路由器为它选择一个未被使用的端口号5001，把源地址和源端口改写为138.76.29.7:5001，并在转换表中记录5001 ↔ 10.0.0.1:3345。
3. Web服务器只看到138.76.29.7:5001，响应的目的地址和端口就是138.76.29.7:5001。
4. 响应到达NAT路由器后，路由器用目的端口5001查转换表，把目的地址和端口改写回10.0.0.1:3345，再转发给内部主机。

端口号字段长16位，所以一个公网地址可以同时支持六万多个连接。

NAT也有一些代价。转换表项只有在内部主机向外发起连接时才会建立，因此外部主机无法主动连接内部的服务器，除非在NAT上手工配置端口转发（port forwarding）这样的静态表项。端口号本来用于标识进程而不是主机，路由器修改端口号也打破了“网络层只处理到网络层首部”的分层原则，给P2P等需要直接连接的应用带来了困难（需要NAT穿越技术）。从长远看，地址短缺问题应当由IPv6来解决（见4.7节）。