周末回了一趟老家，本来我家是两条光纤网络，对应两个Wi-Fi路由器，突然听我妈说有一个Wi-Fi最近不好用，当时我就想，作为一名"顶尖"程序员并同时兼任一名已经持证的网络工程师，连自己家的网络竟然都会出问题，这就好比在荆州城下说关云长不会用刀，就好比在许昌城下说曹孟德不会作诗，就好比......，实在是士可忍孰不可忍，顿时就来了兴趣，动手之前先确立目标：一小时内必须搞定！
首先确认下终端表现的具体问题
我们先定义正常的Wi-Fi代号为Wi-Fi-A，出现异常的Wi-Fi代号为Wi-Fi-B，当手机连接Wi-Fi-B时会显示"无IP分配"，当电脑连上Wi-Fi-B时会显示IP地址为169.254.xxx.xxx，但是访问部分网站正常：
当另一台电脑连接Wi-Fi-B有线网时会显示一直在"获取地址中"：
即使连接成功之后也看不到正常的IPv4地址：
分析问题，其实看到第一台电脑连接Wi-Fi-B的时候IP地址为169.254大致就可以判断出问题的原因。
当本机的IP地址显示为169开头时，这通常指示着一个特定的网络问题，主要是与DHCP（动态主机配置协议）的分配有关。具体来说，以169.254开头的IP地址是链路本地地址（也称为自动专用IP寻址或APIPA），这是由RFC 3927定义的。这类地址主要在DHCP客户端无法从DHCP服务器获得IP地址时自动生成，用于在本地网络中进行基本的通信。
为了在分析问题的过程中多学习一些，我们从头开始梳理，第一个问题：设备的IP地址从哪里来？为什么需要IP地址？
1 IP地址的缘由
随着互联网的发展，需要一种机制来唯一标识网络中的每台设备，以便实现设备间的通信。IP地址的诞生正是为了解决这一问题。
在技术上，早期的网络环境中，主机数量较少，人们可以通过主机名或物理地址来识别设备。但随着网络规模的扩大和主机数量的激增，这种方法变得不再可行。因此，需要一种统一且能够唯一标识设备的地址格式，即IP地址。
IP地址是基于TCP/IP协议（传输控制协议/互联网络协议）产生的。TCP/IP协议为互联网通信提供了基础框架，而IP地址则是该框架中用于标识设备的关键元素。
1.1 IP地址的主要作用
1）设备标识：IP地址可以唯一地标识互联网中的每个设备，包括主机、路由器、工作站等。这种唯一性确保了数据能够准确地发送到目标设备。
2）数据路由：IP地址在网络通信中起着路由的作用。当数据需要在网络中传输时，路由器会根据IP地址来确定数据的传输路径，确保数据能够按照正确的路径到达目标设备。
3）网络管理：通过IP地址，网络管理员可以对网络中的设备进行管理和监控。这包括配置网络设置、排查故障、优化网络性能等。IP地址使得网络管理员能够快速地定位到问题设备，并采取相应的解决措施。
4）访问控制：IP地址还可以用于区分不同设备的访问权限，实现网络安全机制。例如，通过IP地址过滤技术，可以限制某些设备对特定网络资源的访问，从而保护网络免受未经授权的访问和攻击。
5）地址解析：虽然IP地址在网络层是唯一的，但在数据链路层（如以太网）中，数据帧的传输是通过MAC地址进行的。因此，在实际发送IP报文时，还需要进行IP地址和MAC地址的匹配。这一过程通常由ARP（地址解析协议）完成。
综上所述，IP地址的缘由在于满足互联网通信中设备标识、数据路由、网络管理和访问控制等需求。而其作用则体现在这些方面，为互联网通信提供了坚实的基础。随着互联网的不断发展，IP地址的重要性也将日益凸显。
1.2 IP地址的构成
IP地址由“网络号”（Network ID）和“主机号”（Host ID）两部分组成。这两部分共同构成了一个完整的IP地址，用于标识网络中的每一台设备。
在IPv4中，根据地址的前几位的不同，IP地址被分为不同的类型，主要有A、B、C、D、E五类：
A类地址：范围从1.0.0.0到126.255.255.255，第一个字节为网络号，后三个字节为主机号。
B类地址：范围从128.0.0.0到191.255.255.255，前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。
C类地址：范围从192.0.0.0到223.255.255.255，前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。
D类地址：范围从224.0.0.0到239.255.255.255，用于多播（Multicast）通信，即一组设备同时接收相同的数据。
E类地址：地址范围从240.0.0.0到255.255.255.255，保留用于未来发展和实验用途。
特殊地址：
- 0.0.0.0：在服务器中，表示本机上的所有IPv4地址；在路由中，表示默认路由。
- 127.0.0.1：是一个特殊的回环地址（Loopback Address），用于本机测试，代表本机IP地址。
- 255.255.255.255：是一个广播地址，用于向同一子网内的所有主机发送广播消息。
1.3 IPv4和IPv6
IPv4：是当前广泛使用的第四版互联网协议，使用32位地址空间。由于地址空间有限，IPv4总共可以分配约42亿个地址。表示方法主要是由四个十进制数表示，每个数范围为0-255，采用点分十进制表示法，如192.168.0.1。
IPv6：是IPv4的后继协议，旨在解决IPv4地址空间的限制和其他问题。IPv6使用128位地址空间，理论上可以分配约340万亿亿亿亿个地址，几乎提供了无限大的地址空间。表示方法由八个四位十六进制数表示，每个数范围为0-FFFF，采用冒号分隔的八进制表示法，如2001:0DB8:AC10:FE01::。此外，IPv6还允许使用缩写形式，如省略前导零和连续的零组。
2 设备的IP地址从哪里来？
动态分配（DHCP方式）：设备可以通过与部署在网络中的DHCP（动态主机配置协议）服务器交互来获得IP地址。每次设备通过DHCP方式获取的IP地址可能是不同的，这种方式也是动态的。
静态分配：手动分配IP地址。
3 DHCP简介
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是一种网络协议，用于使网络中的设备能够自动获取其IP地址和其他相关配置信息，如子网掩码、默认网关、DNS服务器地址等。DHCP简化了网络管理，特别是当大量设备需要接入网络时，它允许这些设备从DHCP服务器自动获取配置，而无需手动配置每台设备。
DHCP的主要功能和优点包括：
1）自动化配置：设备连接到网络时，会自动从DHCP服务器请求IP地址和其他网络配置信息，从而省去了手动配置的麻烦。
2）集中管理：网络管理员可以在DHCP服务器上集中管理所有设备的IP地址分配，包括分配、回收、续租等操作。
3）提高灵活性：由于IP地址和其他配置信息是由DHCP服务器动态分配的，因此可以更容易地适应网络变化，例如增加或减少网络中的设备。
4）节省IP地址：DHCP通过自动回收不再使用的IP地址，可以更有效地利用有限的IP地址资源。
5）安全性：DHCP支持一些安全特性，如DHCPv6中的隐私扩展（Privacy Extensions），可以防止用户的MAC地址在网络中泄露。
DHCP的工作流程大致如下：
1）发现阶段：新接入网络的设备（称为DHCP客户端）在本地网络上发送DHCP DISCOVER消息，请求IP地址和其他配置信息。
2）提供阶段：网络上的DHCP服务器收到DHCP DISCOVER消息后，会发送DHCP OFFER消息作为响应，其中包含IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址等配置信息。
3）选择阶段：如果有多台DHCP服务器响应，DHCP客户端会选择一个（通常是第一个）响应的服务器，并向该服务器发送DHCP REQUEST消息，确认选择。
4）确认阶段：被选中的DHCP服务器会发送DHCP ACK消息作为确认，完成IP地址和其他配置信息的分配。
5）重新配置或续租：DHCP客户端在租约到期前会发送DHCP REQUEST消息请求续租，或者如果其配置信息发生变化（如子网掩码更新），则会请求重新配置。
DHCP是现代网络中不可或缺的一部分，它极大地简化了网络管理，提高了网络的可扩展性和灵活性。
4 为什么DHCP的IP地址会被用完？
DHCP的IP地址池耗尽通常发生在多种场景下，这些场景主要与网络规模、设备数量、配置管理以及潜在的网络安全问题相关。以下是可能导致IP地址池耗尽的几个主要场景：
1）网络规模扩大：随着网络的不断扩展，新设备不断加入网络，如果DHCP服务器的IP地址池没有相应地增加，那么当新设备尝试从DHCP服务器获取IP地址时，可能会发现地址池已经耗尽。
2）IP地址分配不合理：在网络规划阶段，如果没有合理规划IP地址的分配，例如为较小的子网分配了过多的IP地址，或者为大型网络分配了过少的IP地址，都可能导致IP地址池在实际使用中迅速耗尽。
3）IP地址浪费：如果网络中存在大量不再使用的设备，但它们的IP地址没有被及时回收（例如，由于DHCP租期设置过长或设备没有正确地从网络中注销），这些地址将被浪费，从而减少了可用IP地址的数量。
4）攻击行为：在某些情况下，攻击者可能会通过发送大量的DHCP请求来耗尽IP地址池。这种攻击方式被称为DHCP耗尽攻击或DHCP泛洪攻击。攻击者通过伪造MAC地址或改变CHADDR字段来发送大量的DHCP Discover报文，导致DHCP服务器不断分配IP地址，直到地址池耗尽。
5）配置错误：DHCP服务器的配置错误也可能导致IP地址池耗尽。例如，如果DHCP服务器被配置为对特定的客户端或设备组分配静态IP地址，而这些地址没有被正确地从地址池中排除，那么这些地址在动态分配时仍然会被视为可用，从而导致地址池的有效容量减少。
6）设备故障：网络设备（如路由器、交换机或DHCP服务器）的故障也可能间接导致IP地址池耗尽。例如，如果DHCP服务器出现故障，它可能无法正确地管理IP地址的分配和回收，从而导致地址池的有效利用率降低。
5 解决问题
分析完出现问题的主要原因后，我们开始着手解决问题。
首先重启一下路由器，确保至少有一个设备能得到IP分配，最好是使用一台连接过路由器的设备，然后我们进入设备网关地址，登录管理页面，网关地址一般会在设备说明页标识，初始的账号和密码也会一并列出。
登录上设备后台之后我们看下局域网配置中的DHCP配置，发现一个很明显的问题：IP地址池的IP数量只有14个，虽然我家的设备数量一般不会超过14个，但是一旦某天来了很多客人都连接同一个Wi-Fi的话IP地址很可能不够用。
解决方式就是将IP地址池进行扩容：从192.168.1.2~192.168.1.15调整到192.168.1.2~192.168.1.100
然后我们重启路由器：
发现Linux设备马上就有了IP地址，就是扩大后的IP地址池范围内的，网络也马上回复了正常：
同时其他有问题的设备也都恢复了网络。
6 小总结
DHCP的IP地址池用完确实是可能导致IP地址显示为169开头的原因之一。当DHCP服务器的IP地址池耗尽，即所有可用的IP地址都已被分配出去时，新加入网络的设备将无法从DHCP服务器获得有效的IP地址，因此它们会自动生成一个以169.254开头的链路本地地址（APIPA地址）进行通信。
事后我分析了一下我家的大致网络拓扑，发现确实有问题的那一台路由器（图中右侧）设备数量很多，并且由于密码相对简单，也常被作为访客Wi-Fi，但按理说当设备租约过期后它的IP地址应该被释放掉，常驻的设备应该不到IP地址池中IP地址的总数量，但为什么还是有IP地址不够用的现象？
在网上查阅资料后发现可能有如下几个原因：
1）IP地址回收不及时：
DHCP客户端在租约到期时通常会尝试续租，如果续租成功，则IP地址的租期会延长。然而，如果DHCP客户端在租约到期前未能成功续租，或者DHCP服务器未能及时响应续租请求，那么该IP地址理论上应该被释放回地址池。但在实际操作中，由于网络延迟、服务器负载过高等原因，可能导致IP地址回收不及时。
此外，当DHCP客户端关闭或离开网络时，如果没有正确地发送DHCP RELEASE报文来释放IP地址，那么该IP地址也可能不会立即被回收。
2）IP地址分配策略：
DHCP服务器的IP地址分配策略也可能导致IP地址的快速耗尽。例如，如果DHCP服务器配置了较短的租约时间，并且网络中的设备数量较多，那么IP地址的分配和释放频率就会增加，从而导致IP地址池中的可用地址数量快速下降。
3）网络故障或配置错误：
网络故障或DHCP服务器的配置错误也可能导致IP地址的分配和回收出现问题。例如，网络中的环路、DHCP服务器的配置冲突等都可能导致IP地址无法正确分配或回收。
针对这些问题，可以采取以下措施来缓解IP地址耗尽的情况：
- 延长DHCP租约时间，减少IP地址的分配和释放频率。
- 根据网络的实际需求来合理设置DHCP地址池的大小。
- 定期检查和维护网络设备，确保DHCP服务器和网络设备的正常运行。
- 使用静态IP地址分配方式为关键设备分配固定的IP地址，以减少对DHCP地址池的依赖。
- 监控网络的IP地址使用情况，及时发现并解决IP地址耗尽的问题。
其实上面还有一个问题很值得探究，为什么本机的IPv4地址为169.254.xxx.xxx还是能访问部分网站？
当IP地址为169.254开头时，能够访问部分网站可能与IPv6地址的存在有关。
现代操作系统和网络设备通常同时支持IPv4和IPv6两种网络协议。即使设备的IPv4地址是169.254开头的私有地址，无法直接访问公网，但如果该设备同时也被分配了有效的IPv6地址，那么它仍然可以通过IPv6协议访问支持IPv6的网站和服务。
许多现代设备都采用了IPv4和IPv6双栈配置，这意味着它们可以同时处理IPv4和IPv6流量。当IPv4地址无法使用时，设备可以自动切换到IPv6进行通信。
综上所述，当设备的IP地址为169.254开头时，它能够访问部分网站的原因可能是因为它同时也被分配了有效的IPv6地址，并且这些网站支持IPv6访问。然而，需要注意的是，并非所有网站和服务都支持IPv6，因此设备的互联网访问能力仍然可能受到限制。为了获得更全面的互联网访问能力，建议检查设备的网络配置和兼容性设置，并确保它们能够充分利用IPv6的优势。
