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IPv4互联网的下半场,难说再见;IPv6互联网的上半场,顺势加速!

作者简介:程烨,前电信及互联网行业从业者。

引言

2020年随着华为NewIP技术研究的发布,触及互联网体系、架构等层面的演进,使得下一代互联网再一次成为业界讨论的热点。IPv6还在路上,新一轮互联网革命性变化又要拉开帷幕了?

本文暂且不探讨这个前沿研究的技术以及对未来的影响,先看看在路上的IPv6互联网发展状况。记得若干年前有业内资深人士就曾说过IPv4向IPv6的演进犹如“为飞行中的飞机更换引擎”,IPv6升级改造更多是在做地址/协议层面相应软硬件相关IPv6特性的改造,满足终端、网络、内容应用等方面IPv6支持的要求,整体并没有触及更多下一代互联网体系、架构等层面的变革或调优。

若将2003年基于IPv6的Cernet2建设作为国内IPv6起端,17年时光荏苒;而从国内运营商2009年启动大规模IPv6试点改造为起点,如今已然10年;这么多年过去了,究竟国内IPv6发展如何?

本文简单分析了基于IPv4互联网的现状,对于国内IPv6发展情况进行多维度的观察和分析,希望能为大家带来一些新视角的看法。

基于IPv4互联网的下半场,难说再见

互联网快速发展,IPv4地址资源已然成为发展瓶颈

现阶段全球互联网呈现以下几个特点:

  1. 用户需求呈现个性化、宽带化、移动化的特征,多屏互动等融合、高带宽、按需弹性类业务提供成为市场热点。
  2. 多样化终端层出不穷,智能化终端、定制化行业终端、传感器等使得通信拓展到人与人、人与物、物与物,万物互联已成为趋势。
  3. 云计算、大数据、边缘计算、AI等前沿技术的导入,持续推动着互联网不断深化应用领域、拓展服务维度,工业互联网、车联网等日益成为应用关注热点。
  4. 新业务不断涌现,带宽爆炸增长,互联网即将进入Zettabyte时代(从T->P->E->Z)。

其中很重要的一点就是宽带用户及终端数量将呈现爆炸性增长态势,据咨询机构预测,到2020年全球网民数量将达到26亿,物联网联网终端数量将达到500亿个的规模量级。

各类互联网应用需要海量的IP地址资源来标识和实现互联网数据通信,而目前全球IPv4地址资源基本耗尽,如非特殊情况,各区域RIR新IP地址申请均分配IPv6地址。(少量IPv4地址如/23等申请则视各RIR储备池及回收地址情况进行分配)

Source by:https://www.potaroo.net/tools/ipv4/index.html

现阶段私有地址转换(NAT)方案尽管能够一定程度上解决IPv4公有地址枯竭的问题,但已不能很好满足各类新兴互联网应用,同时也给用户溯源、网络可管可控等方面带来极大的复杂度;IPv4互联网发展面临最大瓶颈实质上是“万物互联”背景下IP地址匮乏,从而导致网络连通性无法扩展。

IPv4地址资源仍有挖掘空间,开源节流将大行其道

尽管各区域RIR储备池中基本耗尽,但早前分配出去的IPv4地址中仍有相当比例处于闲置状态(尤其是ARIN所分配的地址段,如美国若干大学及科研机构就手握大段地址)

Source by:https://www.potaroo.net/tools/ipv4/index.html

注:/8地址段约有1678万个IPv4地址。

受到市场需求及经济利益驱动,很多公司及机构(早期免费或低廉价格获得大段地址)开始对外交易其拥有的IPv4地址资源,存量闲置地址资源(据不完全统计至少约有5000+万个IP地址)的上市及交易将极大缓解部分地域及企业IPv4地址紧缺状况,某种程度上也使得IPv6显得并不是迫在眉睫。

但需要指出的是,各国IPv4地址数量及分布严重不均衡,美国约11.5亿(占所有可分配地址数的1/4,其中三大云计算提供商存量IPv4地址就达到1.2亿),而部分国家面临IPv4地址资源严重不足、地址回收及交易难度较大等困难。

基于IPv4的传统及新兴互联网应用依然发展强劲

尽管很多国家在战略层面都鼓励向IPv6互联网演进,但受到存量IPv4互联网基础设施投资保护、使用习惯、各类内容及应用对IPv6支持度等因素制约,IPv4互联网作为关键网络基础设施在5-10年内将继续获得大量Capex投入来优化承载各类传统及新兴的互联网应用。

对于IPv4应用发展中对于互联网的承载需求,业界各方除了千方百计挖掘IPv4公有地址资源、引入和完善各类NAT技术以求节约IPv4公有地址外,还根据VR/AR、全息通信、云游戏等新兴实时应用对于互联网在低延时、安全性、可靠性等方面的要求,不断引入定向HTTP、传输层安全(TLS)、QUIC、确定性网络(DetNet)等技术对互联网架构及功能模块进行创新完善。

简言之,基于IPv4的传统及新兴互联网应用依然发展强劲。

中国IPv6互联网刚进入上半场

国内IPv6发展:起个大早、赶个晚集

国内在IPv6领域起步较早,基本与国际同步,早在1994年就建设了采用IPv6技术的中国教育科研网CERNET,并在2003年开始逐步升级为IPv6 only的Cernet2示范骨干网;2011年国家层面明确提出中国下一代互联网商用示范路线,在国家发改委等相关部委IPv6专项推动下国内运营商、内容提供商、软硬件设备厂商等产业链各方进行了各领域IPv6改造工作,初步实现了从用户侧-网络-应用侧全程IPv6业务的打通,产业链层面逐步向全面支持IPv6演进;从2013年开始国家发改委分批选择了北京、杭州等代表性城市建设下一代互联网示范城市,希望调动基础电信运营企业、广电企业、商业网站、设备制造企业等多方力量,推动下一代互联网与新一代移动通信、移动互联网、物联网、云计算、大数据等新兴信息技术融合应用。

如上,尽管国家层面在IPv6商用部署及推动上做了大量工作,但于2003年Cernet2建设起端的国内IPv6改造历经起落,直至2017年底国内IPv6发展状态仍然不甚理想:

  1. IPv6用户占网民占比:中国0.49%,而印度则是53%。
  2. IPv6地址申请量:中国(大陆)申请了21284段/32前缀地址段,占全球4.92%,而美国则是10.17%;
  3. IPv6地址通告率:国内IPv6已分配地址使用率非常低,仅为8.54%,意味着相当数量获得IPv6地址的用户并没有使用网络访问相应的IPv6资源,而美国这个指标已经达到30%。
  4. IPv6内容资源:国内网站除少量高校、大型门户网站、运营商官网外基本上都不支持IPv6,而全球Alex top20内的网站IPv6支持比例已经达到65%。

国内IPv6发展:2018年起进入加速模式

政府强势主导推动IPv6升级改造

为了扭转国内IPv6商用停滞不前的局面,2017年11月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《推进互联网协议第六版(IPv6)规模部署行动计划》,在此背景下工信部于2018年开始全力推动IPv6规模部署各项工作,并在2019安排了网络就绪专项行动计划,以行政力量牵引IPv6产业链各方按照政府制定的目标加速IPv6发展。

截至2019年底国内IPv6终端/网络/应用基础设施等基本就绪((以下章节部分图表数据直接来源于www.china-ipv6.cn或在其基础上进行了数据分析,在此致谢,后续不再逐一说明),推动了国内IPv6商用产业链初步形成,但还没有真正进入“市场化、自驱动”的商用生态阶段。

国内IPv6网络基础设施改造基本完成

作为承载着国内绝大多数通信网络及互联网应用流量的基础电信运营商,经过近10年持续投入,基本完成对终端、网关、固定网络(接入网、城域网、骨干网)、移动网络等IPv6化改造,截至2019年底国内IPv6网络基础设施已基本就绪。

1. LTE网络和固定网络IPv6升级改造全面完成

中国电信、中国移动和中国联通均完成了全国LTE网络、城域网网络IPv6改造,并为4G网络用户全面开启IPv6服务,具备提供固定宽带IPv6业务和政企IPv6专线的能力。

2. 骨干直联点实现IPv6互联互通

国内北京、上海、广州、郑州、成都、武汉、西安、沈阳、南京、重庆、杭州、贵阳•贵安、福州等13个互联网骨干直联点均完成IPv6升级改造,支持互联网网间IPv6流量交换。

3. 支持IPv6且已宣告的AS占比快速提升

4. 基础电信运营商的DNS系统均已支持IPv6

5. 基础电信运营商的IDC均已完成IPv6改造(包括但不限于数据中心内外部网络设备层面的IPv6替换/升级等,涉及至少907个IDC,占全国IDC总数约16.8%),其它IDC也已在逐步进行IPv6化改造。

6. 支持IPv6的CDN节点数量已达2903个(占比37.6%)。

国内IPv6内容(APP应用、网站、云服务)支持度明显提高

1、Top 100 互联网应用中已有79%支持IPv6

截至2020年3月,国内用户量排名前100位的商业网站及移动应用中,可通过IPv6访问的共有79款,覆盖新闻、社交、视频、电商、生活服务等10类主流互联网应用。其中21款APP的IPv6活跃用户数占比超过30%,36款APP的IPv6流量占比达到15%以上。

2、省部级政府、中央企业门户等重点网站支持IPv6占比持续提升

截至2020年3月,全国91家省部级政府网站有75家支持IPv6,占比82.4%;96家中央企业门户网站有82家支持IPv6,占比85.4%;13家重点媒体网站有4家支持IPv6,占比30.8%;88家Top互联网网站有50家支持IPv6,占比56.8%;37家重点金融网站有30家支持IPv6,占比81.1%;100家重点教育网站有55家支持IPv6,占比55%。

3、主流云服务提供商超过半数的云产品实现了IPv6基本支持。

综上,互联网应用侧的IPv6改造已有明显进展,但仍有相当数量的公司及机构仍停留在表面的IPv6改造阶段,并未触及需要“真金白银”大量资源投入的底层IPv6改造。

国内IPv6地址申请、分配及IPv6用户渗透等加速推进

目前国内IPv6地址多从APNIC处直接申请获得(即从2400::/12地址段中分配,如中国电信申请的地址段为240e::/18,中国联通申请的地址段为2408:8000::/20)

截至2020年3月,根据APNIC数据,中国已获得47859块(/32)IPv6地址,位居世界第二(占全球已分配地址的比例已从4.92%上升至7.95%)。

而按照国内IPv6监测平台数据,截至2020年2月,中国大陆IPv6已分配地址用户数为13.4亿,IPv6活跃用户达到2亿(占比已达到23.55%),IPv6活跃连接数达到了11.19亿(占比已达到65.78%)。

注1:已分配IPv6地址用户数指基础电信企业在近30天内为用户分配IPv6地址的数量

注2:IPv6活跃用户数是指具备IPv6网络接入环境,已获得IPv6地址,且在近30天内有使用IPv6协议访问网站或移动互联网应用(APP)的互联网用户数量.

注3:IPv6活跃连接数是基础电信企业统计得出的、已获得IPv6地址且在一个月内有访问记录或者流量记录的用户数,包括移动网IPv6活跃连接数和固定宽带IPv6活跃连接数。

此外,APNIC数据也从一个侧面印证了上述变化,截至2020年3月,中国IPv6用户占互联网用户占比已达15.42%(02 Aug 2018数据为0.49%)。

Source:https://labs.apnic.net/dists/v6dcc.html update Date: 25 Mar 2020

国内IPv6网络流量逐步加载,网络质量与IPv4网络基本相当

1. IPv6网络流量已逐步加载

  • 国内IP城域网IPv6流入流出流量分别达到3T和1.9T,其中中国电信IPv6流入流量占总流量的比例为1.38%(中国移动为1.23%、中国联通为0.85%)
  • LTE核心网IPv6流入流出流量分别达到1.4T和0.2T,,其中中国电信IPv6流入流量占总流量的比例为5.36%(中国移动为3.61%、中国联通为3.68%)。
  • 骨干网直联点IPv6总流量约为363G,占网络总流量的比例低于4%。
  • 国际出入口IPv6流入流出流量分别达到约67G和30G,,其中中国电信IPv6流入流量占总流量的比例为0.84%(中国移动为1.8%、中国联通为1.0%)。

注:以上数据截至2020年2月,均为基础电信企业统计得出,取一天内平均流量。

根据国际IPv6发展经验,流量占比突破5%后将迎来一个快速发展的时间窗口,基于上述数据,LTE移动网络IPv6流量极有可能在丰富IPv6应用等举措激发下快速增长;国际出入口IPv6流入流出的数量级及占比充分说明境外IPv6内容丰富度较国内要高。

此外,上述数据表明中国电信在IPv6流量加载方面相对领先于其它两家运营商。

2. IPv6网络质量与IPv4基本趋同

截至2020年2月,国内IPv6网络平均网间时延39.73ms,平均网内时延46.9ms,在轻载流量负荷下IPv6网络质量与IPv4基本趋同。

国内IPv6软硬件、终端等趋向成熟,商用产业链初步形成

经过十多年的打磨,从2018年起主流软硬件厂商各类产品及终端等对于IPv6已经实现默认支持。

截至2020年3月,在LTE移动终端方面,苹果系统在iOS 12.1版本后,安卓系统在Android 8.0版本后,已全面支持IPv6,国内主流LTE移动终端基本支持在IPv4/IPv6双栈下运行;智能家庭网关方面,基础电信企业2018年以来集采的机型已全面支持IPv6;家庭无线路由器方面,市场占有量较大的普联、腾达、华硕、小米及友讯等五家厂商新出厂型号设备均默认支持IPv6(但IPv6性能及功能方面相对较弱)。

此外,随着国内各项IPv6政策落地及行政力量强力推动下,IPv6内容供给侧也有较大突破,用户使用IPv6意愿有所增强,初步建立了从用户-终端-网络-业务(内容)各方积极参与的IPv6商用产业链。

国内IPv6发展存在的问题及挑战

国内市场IPv6发展内生动力不足

1. 运营商网络基础设施IPv6承载能力初步具备,但离支持全面商用尚有较大差距

目前运营商IPv6网络改造基石仍然是IPv4/IPv6双栈,尽管已经实现IPv6用户的网络接入及流量承载,但规模IPv6用户及流量上线后实际承载及应用服务能力有待进一步验证;某种程度上IPv6规模商用场景下意味着现网双栈运行的关键网元设备性能将可能大幅下降甚至不堪重负,对运营商而言意味着追加大量额外投资重构基础设施或者需要考虑作出是否关闭IPv4协议栈的艰难决策。

如上原因,若面临IPv6规模流量增长带来Capex及Opex需要额外追加大量支出时,预计运营商在推动分配IPv6地址的用户使用IPv6网络的积极性将相对有限。

2. 云服务关键基础设施及云产品IPv6全面支持尚需时日

云服务提供商云产品对IPv6的全面支持依赖于数据中心内外部网络设备层面的IPv6替换/升级,各类应用服务器集群、存储、中间件等相应代码层面的IPv6化修改等,但现阶段很多云产品还停留在内容应用的IPv6转换服务:如Web页面的IPv6化使得官网可以提供IPv6访问、提供IPv6与IPv4的转换服务使得IPv6用户能访问其IPv4服务器应用资源,尚处在IPv6基本支持阶段。

主流云商如腾讯云等也都发布了各自的IPv6支持路线,乐观预计至少在2022年后才能全面支持IPv6。

3. 用户特别是家庭用户使用IPv6意愿远不如使用IPv4

国内运营商在国家“提速降费”背景下运营压力巨大,在鼓励IPv6地址用户使用IPv6网络方面难以提供更具吸引力的优惠资费套餐,同时IPv6用户在有效获得IPv6应用资源方面仍旧面临瓶颈,很多APP及网站只是提供首屏/首页或一级连接的IPv6访问,并不能全面支持IPv6,使得IPv6访问体验一致性欠佳;受限于国家安全管控政策,IPv6国际互联互通带宽较小,尽管国内互联互通已支持IPv6,但相对有限的国内IPv6应用资源难以充分满足用户体验和需求,从而制约了用户使用IPv6的积极性。

如上,IPv6全程端到端的体验(包括但不限于网络质量、应用稳定性、主观体验等)较IPv4整体上还是有相当距离,影响了IPv6用户使用IPv6业务的积极性。

4. 存量网关及家庭路由器大多不支持IPv6,新网关或家庭路由器设备有限支持IPv6

尽管运营商2018年起新采购并提供给客户的网关等设备能够基本支持IPv6(如IPv6地址分配获取等),但家庭侧仍有大量存量网关及家庭路由器(据不完全统计,这部分比例约40%甚至更高)不支持IPv6,这部分存量资产还需要较长时间才能逐步被更新替代为全面支持IPv6,从一个侧面说明IPv6端到端打通仍面临最后一米的挑战。

5. 国内IPv6内容侧供给严重不足

尽管Top互联网应用APP,国家及省级层面的政府类、大型央企、金融、教育等领域重点网站的IPv6支持度已有较明显提升,但在监测过程中也发现部分应用及网站还处在“应付”阶段,多为门户页面的IPv6改造,并未涉及深度的业务逻辑及功能IPv6化改造,并没有实质上实现对IPv6的全面支持(即网站对以IPv6地址访问的用户并未全面优先提供IPv6相应内容资源,更多分配得到IPv6地址的双栈用户实质上仍旧继续使用IPv4地址访问IPv4相应内容),未能起到很好的示范引领作用。

上述IPv6内容侧供给严重不足背后的原因涉及到内容提供商大量的IPv6改造成本投入,市场化环境下各类内容提供商更多会从自身经济利益出发选择成本最低的IPv6支持方案满足国家政策要求,一方面等待IPv6用户和网络规模快速增长(市场驱动力),一方面也在等待政府更多的支持政策(行政驱动力)。

基于成本考量及现阶段IPv6用户规模的实际,内容提供商缺乏足够的动力去做更佳体验、更深层次的IPv6应用和内容。

国内IPv6监测指标体系需要进一步完善

尽管国家层面制定了多个维度的IPv6专项推进考核指标及目标,但仔细分析下来还是会发现部分指标并不能很好体现实际的IPv6发展状态。

以IPv6活跃连接数为例,该指标定义为基础电信企业统计得出的、已获得IPv6地址且在一个月内有访问记录或者流量记录的用户数,也就意味着获得IPv6地址的用户只要在一个月内至少访问一次IPv6应用就会被计入,看到这是否觉得有些“放水”,个人认为这类数据对于IPv6商业运营而言参考价值并不高。

衡量IPv6商用化程度需要更多关注对标IPv4使用状况的指标,以下几个指标后续如果能纳入国家IPv6发展监测平台的话或许对IPv6商用态势研判更有参考价值:

  1. IPv6地址用户首次访问并获得IPv6内容的成功率?(体现IPv6端到端性能)
  2. 全国DNS系统对于IPv6地址的日解析次数?(体现IPv6实际运营数据)
  3. 重定义IPv6活跃用户数、IPv6活跃连接数等指标(将指标定义中时间周期从一个月调整为一日,以便充分体现常态化IPv6运营状况)
  4. IPv6地址通告率、路由表项及相应ASN数量?(体现IPv6网络通达度)
  5. IPv6地址用户使用IPv6云服务或云产品的业务体验指标?(云日益成为数字化关键基础设施,IPv6商用阶段,云不应只是简单的能被IPv6用户访问或能使用,而是能提供相当于IPv4的业务一致性体验)

IPv4向IPv6迁移,行政推动还是市场选择?

从经济学的角度,市场总是会寻求约束条件下的最优化配置,在IPv4互联网的下半场尚未散场之前,目前来看IPv4向IPv6迁移的市场驱动力仍旧不足,业界各方预计还是不会主动拥抱IPv6互联网。

为此顶层设计的战略层面若将IPv6互联网视作拉动新基建、提升数字化水平的关键领域,则需要国家层面出手,投入更多的资源和政策来加速IPv6规模商用并形成具备自生长能力的良好生态。

  1. 针对IPv6日活用户规模、IPv6流量占比等指标定向电信、广电运营商出台阶梯性补贴政策(时限可考虑3-5年,如移动网内IPv6流量占比达到5%、10%、15%可作为政策基点,政策减弱及退出节奏可视IPv6普及及发展状态而定),鼓励运营商出台IPv6优惠资费套餐(设定IPv6使用频次、流量等享受优惠条件,配比一定的财政补贴),加大IPv6用户牵引力度。
  2. 将内容提供商IPv6改造作为关键抓手,强化大型互联网公司的IPv6内容供给力度,结合ICP备案准入(新网站要求全面IPv6,既有网站根据其流量排名要求明确承诺改造完成时间)、IPv6应用资源可获得性及业务体验等因素对IPv6内容供给考虑实施后评估式财政奖补政策。
  3. 鼓励运营商或厂商加大对存量家庭网关或无线路由器终端更新为支持IPv6新终端的力度,按照替换总量及IPv6日活使用终端数量等因素予以相应的专项补贴,推动企业加快替换进度。
  4. 在政府采购中明确要求IPv6支持,引导企业采购将IPv6作为前置条件,鼓励软硬件设备厂商积极研发和推出支持各类IPv6产品,同时引入IPv6专项产业发展基金,按照相应IPv6产品销售额、税收缴纳额增量等数据对企业进行专项奖补。

以上措施的落地将进一步激发和形成IPv6产业链良好的发展态势,在政府资源及政策推动下IPv6商用若能顺利到达加速发展的临界点,则可以考虑政府行政力量的逐步退出,让IPv6商用市场自由生长发展,相信届时挥别IPv4互联网也是自然而然的结果。

四、小结及展望

在国内发展基于IPv6的下一代互联网成为国家意志的背景下,工信部在2020年3月份下发了通信函〔2020〕57号《关于2020年开展IPv6端到端贯通能力提升专项行动的通知》,要求加快提升IPv6端到端贯通能力,持续提升IPv6活跃用户和网络流量规模,明确了七大重点任务和三大目标。

对于该通知提及的七项重点任务中,前四项(优化提升IPv6网络接入能力、加快提升内容分发网络(CDN)IPv6应用加速能力、大幅提升云服务平台IPv6业务承载能力、全面扩大数据中心(IDC)IPv6覆盖范围)及第七项(着力强化IPv6网络安全保障能力)仍然属于IPv6基础设施及支持能力的完善和提升,第五项(着力提升终端设备IPv6支持能力,即要求终端设备出厂默认支持IPv6、主要电商平台优先向用户推荐支持IPv6的终端设备、加速运营商存量家庭网关的更新替换)和第六项(稳步提升行业网站及互联网应用IPv6浓度,如已经穿透要求三级链接支持IPv6的占比要求超过85%)则是关注到了IPv6商用层面的真正短板所在。

而从三大目标来看,喜的是这一次工信部关注到了流量占比(尤其是尽快推动移动网络IPv6流量越过临界点进入快速增长阶段)对于IPv6商用的重要意义,忧的是仍然把IPv6活跃连接数看得很重,并没有把行业网站及互联网应用IPv6浓度等与IPv6商用运营紧耦合的指标纳入目标体系,同时还未看到更多措施落地相关的财政及税收政策细节披露,希望不要出现业界相关方只是以应付任务的方式来完成通知相应的要求。

IPv6风一直在吹,希望政府及各方已经或将要投入的大量资源能够真正转换为IPv6产业链加速发展的基石,同时建立更为科学合理的IPv6监测评价指标体系,及时调整完善和推动业界各项IPv6举措及相关政策落地,从而为国内民众及各行各业带来符合用户预期、具有更佳体验的IPv6互联网,早日实现IPv4向IPv6互联网的平滑演进和真正的规模商用。

本文分享自微信公众号 - SDNLAB(SDNLAB),作者:SDNLAB君

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原始发表时间:2020-04-14

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