Geralmente é feito da mesma maneira que seu roteador doméstico faz isso, mas com equipamentos muito mais caros. É mais caro porque é muito mais configurável. O ISP para o qual eu trabalho usa um ERX para servir IPs, armazena endereços MAC em sua tabela arp e atribui um endereço IP baseado no cartão e na porta, que é mapeado para um circuito através de ATMs e eventualmente um DSLAM (ou CMTS em um cabo de configuração similar) provedores) - atribuímos estaticamente, mas não com base no DHCP. Este é o caso de circuitos em ponte e encaminhados, em que o circuito encaminhado tem simplesmente blocos em rotas estáticas ao longo de um nível / 32.
Outros ISPs usarão a tabela arp para atribuir endereçamento via DHCP, onde o endereço estático é simplesmente removido do pool DHCP, mas aparecerá na tabela de aluguel. Esta estática também é geralmente mapeada para uma porta e placa no roteador, então você só pode obtê-la em seu próprio circuito (mas nem sempre). Nos casos em que você tiver um endereço dinâmico, se seu contrato expirar e seu dispositivo não estiver conectado para renovação, ele será distribuído em outro local e você receberá o próximo disponível no pool quando se reconectar. Algumas concessões duram algumas horas, algumas até uma semana, dependendo do seu ISP.
Existem outras configurações, mas elas cobrem as mais comuns.
EDIT: Esqueci de adicionar, a maioria dos ips individuais são / 32 e divididos de um bloco maior. Esses blocos são geralmente atribuídos por região (ou ISP no caso de outros menores) e é por isso que todos os IPs que você obtém serão muito semelhantes, exceto pelo último octeto (ou dois últimos no caso de ISPs maiores.