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第 8 課

誰給我位址？DHCP（動態主機設定協定）與 NAT（網絡位址轉換）

連上 Wi-Fi（無線網絡）的一刻，是誰給你一個地址？

帶路角色：路路閱讀時間約 10 分鐘

1. 漫畫開場

也可以直接點擊任何一格
漫畫文字版（畫面及對白）
格 畫面 對白
1 阿麥回到家，手上的地址卡空白（0.0.0.0），拿著擴音器廣播。 字幕：「阿麥剛連上家中的 Wi-Fi，還沒有 IP Address（網絡位址）。」
阿麥：「有沒有人可以給我一個地址？」
2 路路坐在酒店前台，遞出房卡：192.168.1.10、Default Gateway（預設閘道） 192.168.1.1、DNS（網域名稱系統） 192.168.1.1、租約 24 小時。 字幕：「DHCP（動態主機設定協定）好像酒店前台派房卡。」
路路：「192.168.1.10 給你，租用 24 小時。出門找我，查名字也找我！」
阿麥：「謝謝！」
3 小比出門經過管理處；路路把寄件人 192.168.1.10 改成 203.0.113.1，在記錄簿寫下對照。 字幕：「全家共用一個 Public IP（公共位址）出門，這叫 NAT（網絡位址轉換）。」
路路：「私人室號不能在街上用，我幫你換成大廈地址，順便記一筆！」
4 回覆的小比寫著收件人 203.0.113.1 Port（連接埠） 40001；路路翻記錄簿，改回 192.168.1.10。 字幕：「回信到了，管理處照記錄轉交。」
路路：「40001 號……是阿麥的！這邊走，這條路最快！」

2. 重點概念

新裝置連上網絡時，還沒有 IP Address。DHCP（動態主機設定協定）就是自動分配 IP Address 和其他設定的協定，好像酒店前台派房卡：你報到，前台給你一個房號，租用一段時間。

家中的裝置用的是 Private IP（私人位址），不能直接在互聯網上使用。NAT（網絡位址轉換）讓全家裝置共用 Router（路由器）上的一個 Public IP（公共位址），好像大廈管理處代收代寄信件。

3. 看深一點

想看動畫詳解？ 網絡小故事 14. 大廈管理處：NAT（網絡位址轉換）與 Port Forwarding（連接埠轉發）

DHCP 給你的不只是位址

一次 DHCP，會同時給你上網需要的幾樣設定：

設定 阿麥在家得到的 用途
IP Address 192.168.1.10 你在這個網絡的位址
Subnet Mask（子網絡遮罩） 255.255.255.0（即 /24） 分辨誰和你在同一個 Subnet（子網絡）
Default Gateway（預設閘道） 192.168.1.1 出門找誰（第 4、6 課）
DNS 伺服器 192.168.1.1 查名字找誰（第 7 課）
Lease Time（租約時間） 24 小時 這個位址借給你多久

在家中，這些工作全部由家用 Router 負責：它同時是 DHCP 伺服器、Default Gateway 和 DNS 的轉介站。

四個步驟：DORA

DHCP 分配位址有四個步驟，取英文第一個字母，叫 DORA：

步驟 英文 誰說 說什麼
1 Discover（發現） 阿麥（廣播） 「有沒有 DHCP 伺服器？我需要一個位址！」
2 Offer（提供） 路路 「192.168.1.10 給你，可以嗎？」
3 Request（請求） 阿麥（廣播） 「我要 192.168.1.10！」
4 Acknowledge（確認） 路路 「批准！租用 24 小時。」

為什麼第 1 步要廣播？因為阿麥還沒有 IP Address，也不知道 DHCP 伺服器在哪裡，只好向整個 LAN（區域網絡）大叫。這時他的寄件人位址寫 0.0.0.0（「我還沒有位址」），收件人寫 255.255.255.255（IPv4 的「同一個 LAN 內所有人」）；Frame（訊框）上的收件人則是第 3 課的 FF:FF:FF:FF:FF:FF。

第 3 步為什麼又要廣播？因為一個 LAN 裡可能有多於一部 DHCP 伺服器都作出了 Offer。阿麥大聲說出自己選了哪一個，其他伺服器就知道可以把位址留給別人。

圖解：DHCP 的四個步驟 DORA：Discover 廣播、Offer、Request 廣播、Acknowledge，以及最後阿麥得到的設定

圖解：左邊是阿麥，右邊是家中 Router（DHCP 伺服器）。第 1 和第 3 步用廣播；四步完成後，阿麥得到 IP Address、Subnet Mask、Default Gateway、DNS 伺服器和租約時間。

租約：借的，不是送的

DHCP 的位址是借給你的。租約時間過了一半，裝置就會問 Router 可否續租，通常都會批准，所以你在家裡的位址往往很少改變。

如果你離開了（例如拿著手機出門），租約到期後，位址就會收回，分給其他裝置。這就是為什麼第 4 課說，就算坐著不動，IP Address 也有可能改變。

找不到 DHCP 伺服器會怎樣？ 很多系統會自己選一個 169.254.x.x 的位址。這種位址只能和同一條線上的裝置溝通，不能上網。如果你見到自己的位址是 169.254 開頭，通常表示 DHCP 出了問題。

NAT（網絡位址轉換）：大廈管理處

第 4 課說過，Private IP 不會在互聯網上出現。那麼阿麥（192.168.1.10）怎樣上 example.com（192.0.2.80）？

答案是：家用 Router 在封包出門時，把寄件人改成自己的 Public IP，並記下一筆對照。家中有很多部裝置，怎樣分得清回信是誰的？Router 同時會改寫 Port（連接埠）號碼（第 9 課會詳細介紹 Port），每個對話用一個不同的號碼。

阿麥和家中另一部裝置同時上 example.com，Router 的 NAT 記錄簿可能是這樣的：

家中裝置（Private） 出門後變成（Public） 對方
192.168.1.10，Port 50000 203.0.113.1，Port 40001 192.0.2.80，Port 443
192.168.1.11，Port 50000 203.0.113.1，Port 40002 192.0.2.80，Port 443

兩部裝置剛巧都用了 Port 50000，但出門後分別變成 40001 和 40002，所以不會混亂。

回信到達時：

  1. 回信的收件人是 203.0.113.1，Port 40001。
  2. Router 翻查記錄簿：40001 是 192.168.1.10 的 Port 50000。
  3. Router 把收件人改回 192.168.1.10，Port 50000，送進家中 LAN。

圖解：NAT 出門時把 192.168.1.10:50000 改成 203.0.113.1:40001，回信時按記錄簿改回來

圖解：上半部是出門的封包，寄件人被改寫；下半部是回來的封包，收件人按記錄簿改回。互聯網上只看到 203.0.113.1。

嚴格來說，這種連 Port 一起改寫的做法叫 PAT（連接埠位址轉換），也有人叫 NAPT。今天家用 Router 說的「NAT」，幾乎都是指它。

NAT 的副作用：陌生人找不到你

記錄簿只有「家中裝置主動寄出」的對話。如果互聯網上有人主動寄信到 203.0.113.1，而記錄簿沒有對應的一行，Router 就不知道應該轉交給誰，通常會直接丟掉。

  • 好處：家中裝置不會被陌生人直接找到，多了一層保護。
  • 壞處：如果你想在家中架設伺服器，或者玩某些網上遊戲，就要在 Router 設定 Port Forwarding（連接埠轉發），事先寫好「寄到某個 Port 的信，交給哪部裝置」。

IPv6 的位址多到用不完，每部裝置都可以有自己的 Public 位址，所以一般不用 NAT。

4. 動手試試

任務一：看看你的租約

系統 步驟
Windows 在「命令提示字元」輸入 ipconfig /all，找「租用取得」和「租用到期」，以及「DHCP 伺服器」
macOS 系統設定 → 網絡 → Wi-Fi → 詳細資料 → TCP/IP，看「設定 IPv4」是否為「使用 DHCP」
iPhone 設定 → Wi-Fi → ⓘ，看「設定 IP」是否為「自動」；最底有「更新租約」
Android Wi-Fi 網絡詳細資料 → 進階選項 → IP 設定是否為「DHCP」

想一想：你的 DHCP 伺服器位址，和 Default Gateway 一樣嗎？

任務二：比較兩個位址

第 4 課你已經找過自己的 Private IP，也用搜尋器看過自己的 Public IP。現在你知道：兩者不同，就是因為家中 Router 做了 NAT。

小互動

DHCP 的正確次序

把 DORA 四個步驟排好次序。

  1. Request：阿麥廣播「我要 192.168.1.10！」
  2. Discover：阿麥廣播「有沒有 DHCP 伺服器？」
  3. Acknowledge：路路回覆「批准！租用 24 小時。」
  4. Offer：路路回覆「192.168.1.10 給你，可以嗎？」

小互動

DHCP 還是 NAT？

把以下六張卡分到正確的功能：

  1. 1新裝置連上 Wi-Fi 時，自動得到 192.168.1.10

  2. 2封包出門時，寄件人由 192.168.1.10 變成 203.0.113.1

  3. 3告訴裝置 Default Gateway 是 192.168.1.1

  4. 4回信到達時，按記錄簿找出是哪部裝置的

  5. 5租約過了一半，裝置要求續租

  6. 6讓全家裝置共用一個 Public IP

5. 比喻的極限

  • 酒店前台不會要求你「退房」。 現實中裝置離開時，未必會通知 DHCP 伺服器；伺服器要等租約到期才會收回位址。
  • 不是每部裝置都用 DHCP。 Router、伺服器和打印機常常用人手設定的固定位址；Router 也可以設定「某個 MAC Address（硬體位址）永遠拿到同一個位址」。
  • 管理處不只一層。 有些 ISP（互聯網服務供應商）位址不夠，會在自己的網絡裡再做一次 NAT，所以你的 Router 對外位址也可能不是真正的 Public IP。
  • NAT 不是防火牆。 它令陌生人較難找到你，但真正的保安工作要靠 Firewall（防火牆）（網絡小故事 19）。
  • 路路的記錄簿會過期。 NAT 記錄在對話結束或一段時間沒用後就會刪除，所以回信不能遲太久才到。

6. 小測驗

第 1 題，共 3 題DHCP 的四個步驟，正確的次序是哪一個？
第 2 題，共 3 題為什麼 DHCP Discover 要用廣播送出？
第 3 題，共 3 題阿麥（192.168.1.10）上 example.com 時，example.com 的伺服器看到的寄件人位址是什麼？

7. 重點筆記

  • DHCP（動態主機設定協定）自動派發 IP Address、Subnet Mask、Default Gateway、DNS 伺服器和租約時間。
  • DHCP 的四個步驟是 DORA：Discover、Offer、Request、Acknowledge；Discover 和 Request 用廣播。
  • 位址是租借的，租約過了一半會續租；見到 169.254 開頭的位址，通常表示找不到 DHCP 伺服器。
  • NAT（網絡位址轉換）讓全家共用一個 Public IP：出門時改寫寄件人和 Port，回來時按記錄簿改回。
  • 外面的人不能主動找到 NAT 後面的裝置，除非設定 Port Forwarding（連接埠轉發）。

下一站

NAT 的記錄簿裡出現了很多 Port 號碼：50000、40001、443……它們到底是什麼？為什麼有些資料要「先握手」才送？