协议森林04 地址耗尽危机 (IPv4与IPv6地址)

IP地址是IP协议的重要组成部分,它可以识别接入互联网中的任意一台设备。在IP接力中,我们已经看到,IP包的头部写有出发地和目的地的IP地址。IP包上携带的IP地址和路由器相配合,最终允许IP包从互联网的一台电脑传送到另一台。

IP接力中,我们是以IPv4为例说明IP包的格式的。IPv4和IPv6是先后出现的两个IP协议版本。IPv4的地址就是一个32位的0/1序列,比如11000000 00000000 0000000 00000011。为了方便人类记录和阅读,我们通常将32位0/1分成4段8位序列,并用10进制来表示每一段(这样,一段的范围就是0到255),段与段之间以.分隔。比如上面的地址可以表示成为192.0.0.3。IPv6地址是128位0/1序列,它也按照8位分割,以16进制来记录每一段(使用16进制而不是10进制,这能让写出来的IPv6地址短一些),段与段之间以:分隔。

IP地址的分配

IP地址的分配是一个政策性的问题。ICANN(the Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)是Internet的中心管理机构。ICANN的IANA(Internet Assigned Numbers Authourity)部门负责将IP地址分配给5个区域性的互联网注册机构(RIR,Reginal Internet Registry),比如APNIC,它负责亚太地区的IP分配。然后RIR将地址进一步分配给当地的ISP(Internet Service Provider),比如中国电信和中国网通。ISP再根据自己的情况,将IP地址分配给机构或者直接分配给用户,比如将A类地址分配给一个超大型机构,而将C类地址分配给一个网吧。机构可以进一步在局域网内部分配IP地址给各个主机。(A/B/C类地址请参阅IP接力)

5个RIR的分管区域

并不是所有的地址都会被分配。一些地址被预留,用于广播、测试、私有网络使用等。这些地址被称为专用地址(special-use address)。你可以查询RFC5735来了解哪些地址是专用地址。

(RFC,Request For Comments。RFC是一系列的技术文档,用于记录Internet相关的技术和协议规定。每一个RFC文件都有一个固定的编号。它们是互联网的一个重要财产。你可以通过 http://www.rfc-editor.org/ 来查找RFC文件)

IPv4地址耗尽

由于IPv4协议的地址为32位,所以它可以提供232, 也就是大约40亿个地址。如果地球人每人一个IP地址的话,IPv4地址已经远远不够。更何况,人均持有的入网设备可能要远多于一个,下图中显示了一个家庭对IP地址的需求,这种需求量已经相当常见了:

We need more IP address!

下图显示了各大洲RIR的IPv4地址耗尽日期 (IANA已经将所有的IP分配给各个RIR):

5个RIR区域的预计耗尽日期

尽管一些技术措施(比如NAT技术,我会在其他文章中深入NAT)减缓了情况的紧急程度,但IPv4地址耗尽的一天终究还是会很快到来。很明显,我们需要更多的IP地址,以满足爆炸式增长的互联网设备对IP地址的需求。

Too much stuff for IPv4

更长=更好

IPv6协议的地址最重要的改进就是:加长。IPv6的地址为128位。准确的说,IPv4有4,294,967,296个地址,而IPv6有

340,282,366,920,938,463,374,607,431,768,211,456

个地址。这是怎样一个概念呢?我们可以大概计算一下

地球表面积大约为510,067,866,000,000平方米。在一平方厘米(大约是指甲盖大小)的面积内,我们可以有6.67x1016个IP地址!所以在短期的时间内,我们应该不会看到IPv6被用尽的尴尬。(不排除在未来计算机以分子尺寸出现,那么我们就会有IPv6耗尽危机了)

所以,为了解决IPv4地址耗尽危机,这就是结论:

总结

IPv4地址正在耗尽,而IPv6通过更长的序列提供了更多的IP地址。IPv4向IPv6的迁移正在发生。

阻碍迁移的过程的主要在于IPv4和IPv6格式的不兼容性。老的路由器支持IPv4格式的IP包,但它们无法理解IPv6格式的IP包。所以这一迁移过程必然要伴随者设备的更新。然而,我们的许多互联网资产都是建立在IPv4网络上的,不可能一夜之间停止IPv4网络的服务而整体迁移到IPv6网络中。这一迁移过程注定充满坎坷。

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