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IPv4枯竭时代：从NAT技术到IPv6的演进之路

web 2025/7/23 4:58:46

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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：

$2^{32}=4,294,967,296（约 42.9 亿个）$

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。

对比项	IPv4	IPv6
地址长度	32 位（4 字节）	128 位（16 字节）
地址表示	`192.168.1.1`	`2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334`
源/目标 IP 字段	各 32 位	各 128 位
头部大小	20-60 字节（可变）	40 字节（固定）

IPv6数据包格式（部分）

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