IPv4枯竭时代：从NAT技术到IPv6的演进之路

IPv4（Internet Protocol version 4）是互联网最核心的通信协议之一，自 1981 年正式标准化以来，支撑了全球互联网近 40 年的发展，但是因为其数量的限制，正在逐步退出历史的舞台。

IPv4 因为使用 ​32 位地址，因此其理论最大地址数量为：

截止目前为止，IPv4已经全部使用殆尽。

​2011 年 2 月​ ​IANA（国际互联网号码分配机构）​​ 宣布 IPv4 地址池耗尽，最后 5 个 /8 地址块分配给全球 5 个 RIR（区域互联网注册机构）。

​2011 年 4 月​ ​APNIC（亚太地区）​​ 第一个耗尽 IPv4 地址的 RIR，仅保留少量地址用于过渡。

​2012 年 9 月​ ​RIPE NCC（欧洲）​​ 宣布 IPv4 地址耗尽。

​2014 年 6 月​ ​LACNIC（拉丁美洲）​​ 耗尽。

​2015 年 9 月​ ​ARIN（北美）​​ 耗尽。

而对于这个问题，现在使用的主流解决方法是NAT技术或者升级为IPv6。

NAT技术

NAT（Network Address Translation）是一种 ​IP 地址转换技术，主要用于解决IPv4 地址短缺​问题，并提高网络安全性。它的核心功能是 ​将私有 IP 地址映射到公网 IP 地址，使多个设备可以共享一个公网 IP 访问互联网。

NAT技术将IPv4地址划分为两个部分：

私网IP：10.* && 172.16。*-172.31.* && 192.168.*
公网IP：除了上述的都是

公网和私网的关系可以看做是一个包含关系，同一个局域网的私网IP使用同一个公网IP进行上网，公网的IP是唯一的，而私网的IP在不同的局域网中是可以重复的。

 对于同一个局域网的私网IP他是动态变化的，每次上网时都是公网随机分配给你一个空闲的IP地址，当然你也可以手动设置成固定的一个值（偶尔可能会被占用）。

私网在访问网络时，会先通过公网IP，然后使用公网IP再去访问网络。

+——————-+ +———————+ +———————+
| 私网设备 | | NAT 路由器 | | 互联网服务器 |
| (192.168.1.100) | —> | (公网IP: 203.0.113.1)| —> | (8.8.8.8) |
| | <— | | <— | |
+——————-+ +———————+ +———————+

在NAT路由器中，存在一种映射关系，用于私网和公网之间的转换，不同的私网在使用公网IP时是通过端口号进行区分的。

 在返回响应时也是如此，根据映射关系替换掉IP地址以及端口号，然后转发给私网的设备。

除此之外，在NAT背景下网络通信还有以下规则：

1.同一个局域网下，两个设备可以互相通信

由于同一个局域下，私网IP地址不存在重复的情况，并不会涉及NAT。

2.公网设备A可以访问公网设备B

公网也不涉及IP地址冲突。

3.不同局域网下的设备A和设备B不允许互相访问

NAT机制禁止这样的访问方式，这也进一步提高了网络安全。

4.公网设备A不允许访问私网设备B

并不是绝对的，可以利用内网穿透的方式进行转发。

IPv6

IPv6（Internet Protocol version 6）是 IPv4 的升级版本，旨在解决 IPv4 地址枯竭问题，并提供更高效、更安全的网络通信。

IPv6是128位的地址，可以存储2^128位地址（约 ​340 万亿亿亿亿），这个数量即使给地球上的每一粒沙子都分配一个地址都够用。

IPv4和IPv6都是网络层的协议，但是他们的数据包格式不同。

 IPv6数据包格式（部分）

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| 版本 (6) | 流量类别 | 流标签 |
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| 载荷长度 | 下一个头部 | 跳数限制 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 源 IP (128 位) |
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| 目标 IP (128 位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

IPv6 仍然使用 IP 协议​（只是版本不同），但 IPv6 通常不需要 NAT，因为它的地址空间足够大（2^128 个地址），每台设备都可以有全球唯一的公网 IP。

 IPv4和IPv6两种协议并不兼容，因此IPv6的普及依旧需要时间。

• ​截至 2023 年​：全球 IPv6 采用率约 ​40%​​（中国、印度超 50%，美国仅 30%）。
• 旧硬件/软件可能并不支持 IPv6。

长远角度来看，IPv6是解决该问题的终极方法，NAT技术可能会减少，但是不会完全消失。