向IPv6的過渡：我們達到了嗎？

文 / 杰夫·休斯頓

向IPv6過渡的傳奇故事繼續讓我們所有人感到驚訝。RFC 2460是第一個完整的IPv6協議規范，于1998年12月發布，距今已有20多年。

IPv6的全部意義在于指定IPv4的后續協議，因為IPv4地址可能會用完。然而，我們在十多年前就已經用完了IPv4地址。向IPv6的過渡已經進行了20年，如果說IPv4地址耗盡的前景給我們的努力注入了緊迫感，那么我們已經在耗盡中生活了10年。因此，也許是時候提出這樣一個問題了：這種過渡還需要多長時間？

這是在最近的ARIN49會議上向一個小組提出的問題，可以預見的是，對于答案可能是什么并沒有明確的共識。我想在這里更詳細地探討一下這個問題。

一點點歷史

1991年，很明顯互聯網協議（IP）出現了問題。當時它還是一個很小的互聯網，但增長模式是指數級的，每12個月就會翻一番。

我們那時一直在強調B類IPv4地址池，如果沒有任何糾正措施，這個地址池將在1994年完全耗盡。我們也對路由系統施加了壓力，1992年部署的路由器的內存只足夠支持未來12到18個月的路由增長。這些路由和尋址的綜合壓力由當時IETF ROAD工作組（RFC 1380）集中加以研究和討論。

為解決這一問題，有一系列短期、中期和長期對策。

在短期內，我們放棄了基于類（Class）的地址計劃，而是采用了可變大小的地址前綴模型。包括邊界網關協議（BGP）在內的路由協議很快被修改以支持這些無類地址前綴。但是，大小可變的地址前綴給地址分配過程增加了額外的負擔。

在中期內，區域互聯網注冊機構（RIP）使每個區域能夠為其地址分配和注冊職能提供資源；增加地址分配的特殊性，提供足夠的資源以允許更多地應用相對保守的地址分配策略，并允許顯著提高地址使用效率。與此同時，使用網絡地址轉換（NAT）的“地址共享”概念也在互聯網服務提供商（ISP）中獲得了支持。NAT不僅大大簡化了ISP提供服務的流程，在減少地址消耗壓力方面也發揮了重要作用。

雖然這些措施將兩年的危機推遲到了可管理的十年之久的場景中，但需要長期的技術響應來擴展IPv4中使用的32位地址字段。

任何這樣的更改都不可能向后兼容IPv4系統的安裝基礎。因此，關于該做什么，有幾個不同的學派。一種方法是跳轉流，切換到使用OSI協議套件的無連接傳輸配置文件，并在此過程中采用OSI NSAP地址。另一個是除了地址字段的大小之外，盡可能少地改變IP。人們還提出了其他幾個對IP協議模型進行重大改變的想法。

直到1994年，IETF已經設法確定了最小改變的方法，即IPv6。地址字段被擴展到128位，流ID字段被引入，分片行為被改變并引入一個可選的報頭，地址解析協議（ARP）被多播取代。

底線是IPv6不提供任何IPv4中沒有的新功能。它沒有對IP協議的運行引入任何重大變化。IPv6只是地址更大的IP協議。

過渡

雖然IPv6的設計花費了大量的精力，但將網絡從IPv4過渡到IPv6的觀念卻沒有得到重視。

鑒于IPv4的廣泛采用，有一種天真的期望就是IPv6也會類似地起飛，沒有必要考慮這么多。在第一個階段，我們期望看到應用程序、主機和網絡除了IPv4之外，還增加對IPv6的支持，將互聯網轉變為一個雙棧環境。在第二階段，我們可以逐步取消對IPv4的支持。

這個計劃有幾個問題！也許其中最嚴重的是資源分配問題。互聯網發展非常迅速，我們的大部分努力都致力于跟上需求。更多的用戶、更大的容量、更強大的服務器、更多的內容、更便捷的服務、更加安全、更好的防御體系——所有這些都圍繞一個共同的主題——規模。因此，我們可以集中資源來滿足不斷擴展的需求，或致力于IPv6的部署。

我們已經采取的短期和中期措施解決了地址耗盡的緊迫性問題，因此對業界來說，規模擴展比過渡到IPv6擁有更高的優先級。

在2000年代中期，隨著iPhone及其衍生產品的推出，規模擴展問題加速到了一個全新的數量級。突然間，這不僅僅是家庭和企業的規模問題，而是轉變為個人和流動性的規模問題。

IPv6成為必要的全部原因正在形成，但我們還沒有準備好部署IPv6作為響應。因此，我們增加了剩余IPv4地址的消耗，并用IPv4支持了第一波大規模移動服務。雙棧在當時的移動領域甚至還不是一個選項。為3G基礎設施融資的經濟學相當奇怪，這意味著在3G平臺上建立雙棧基礎設施是不切實際的。

同時，互聯網去中心化的性質阻礙了向IPv6過渡的努力。如果沒有主機將IPv6集成到其網絡協議棧中，那么開發支持IPv6的應用程序有什么意義？如果沒有ISP提供IPv6支持，那么將IPv6添加到主機網絡協議棧中有什么意義？如果沒有主機和應用程序使用IPv6，那么ISP部署IPv6還有什么意義？所以，什么都沒發生。

首先試圖打破這種相互依賴僵局的是各類操作系統，全功能的IPv6協議棧被添加到各種版本的Linux、Windows和MAC OS中，以及IOS和Android的移動主機協議棧中。

但即便如此，也不足以讓過渡取得關鍵進展。可以說，這種情況使IPv6的情況變得更糟，并使過渡推遲了幾年。問題是，對于支持IPv6的主機，人們希望使用IPv6。然而，這些主機是坐落在IPv4海洋中的IPv6孤島。

針對過渡的努力都集中在通過IPv4網絡對IPv6數據包進行隧道化的各種隧道方法上。雖然可以在控制兩個隧道端點時手動執行此操作，但這并不是一種有用的方法。我們想要的是一個自動的隧道機制，可以照顧到所有這些細節。

第一個方法是6to4。6to4的第一個問題是它需要公共IPv4地址，因此它不能對NAT后面的IPv6主機提供服務。更關鍵的問題是，防火墻不知道如何處理6to4的數據包，當有疑問時，默認的操作是拒絕訪問。因此6to4導致了20%的失敗率，使其無法使用。NAT問題也是一個難題，因此人們設計了第二個自動隧道機制來執行NAT感知和穿透。就失敗率而言，這種機制甚至更糟糕——大約40%的Teredo連接嘗試被觀察到是失敗的。

這些最初的過渡工具性能非常差，因為它們非常不可靠，即使在工作時，連接也很脆弱，甚至比IPv4更慢。結果是可以預見的。不受歡迎的不僅僅是過渡機制，連IPv6本身也招致了批評。

直到2011年，IPv6在很大程度上被忽視了。只有少數服務提供商試圖部署IPv6。然而，在每次嘗試中，這些服務提供商都發現自己和他們的供應商必須解決一系列特殊的挑戰。IPv6上如果沒有豐富的內容和服務，整個實踐的價值就非常低了！所以，什么都沒發生。

終于有動作了！

直到2011年初，IANA管理的中央IPv4地址池耗盡，當年4月第一個RIR的通用分配池告罄，這才引起ISP行業的更多關注。

起初，向IPv6的過渡是步履蹣跚的，但在過去十年里，過渡已經積聚了動力。圖1顯示了可以訪問IPv6服務的IPv6用戶的估計份額。

圖1 IPv6在所有互聯網用戶中的使用率——2012年至今

從2016年年初的5%增加到2017年年底的17%，IPv6數量增加了兩倍多。這在很大程度上要歸功于印度移動網絡中IPv6的快速部署。

此后的三年（2018~2020），這一數字從17%升至30%。第二個增長階段在很大程度上歸功于IPv6在中國的部署。

然而，這不僅僅是一個關于在印度和中國部署的故事。其他經濟體的IPv6能力在這五年中也穩步持續增長，如墨西哥、巴西和美國。如果我們以用戶中IPv6的部署比例作為衡量標準——大約占所有用戶的30%——那么我們有理由得出結論，過渡正在順利進行。顯然，這30%并不是均勻分布的。當我們將國民經濟考慮在內時，我們還會看到這種過渡在當前狀態下的不同圖景（圖2）。

圖2 2022年4月IPv6的部署情況

向IPv6的過渡正在一個相對較小的經濟體子集中進行。只有32個經濟體的IPv6使用率高于30%的全球平均水平。從區域來看，IPv6的使用率似乎在南亞、北美和西歐最高，而在非洲和大洋洲使用率最低。

然而，在經濟層面上的這種比較可能會產生誤導，因為它們將中國（14億人口）與皮特凱恩島（50人口）置于同等地位。如果我們觀察10個最大的IPv6用戶群體，我們會得到一個稍微不同的視圖。

數據證實，在世界許多地方，IPv6在大規模消費者網絡中的部署進展順利。

還要多久？

現在我們正處于過渡的過程中，下一個問題是，這個過渡還會持續多久？

這似乎是一個簡單的問題，但確實需要更多的解釋。當我們可以宣布過渡結束時，“終點”是什么？或者說，這種過渡何時“完成”？

到了互聯網上不再有基于IPv4的流量的時候？還是到了互聯網上的公共服務對IPv4沒有需求的時候？或者是只提供IPv6服務的時候？

也許我們可以站在一個務實的立場，不是將完成過渡定義為何時互聯網完全不再使用IPv4地址，而是將完成過渡定義為何時不再需要使用IPv4地址。這意味著，當服務提供商只使用IPv6而不支持IPv4訪問機制就能運行一個互聯網服務時，我們就完成了這一過渡。

這意味著什么？當然，ISPs需要提供IPv6。同時，所有連接的邊緣網絡和這些網絡中的主機都需要支持IPv6。畢竟，ISP在完成過渡時沒有IPv4服務。這也意味著該ISP的客戶端使用的所有服務都必須通過IPv6訪問。

我們今天肯定沒有達到這一點，在未來兩三年內也不太可能達到。世界IPv6發布網站公布的數據顯示，在Alexa前1000個網站中，只有約30%的網站可以通過IPv6訪問，顯然，各個服務平臺還有工作要做。

在ARIN 49小組討論中，有傾向于至少需要再過十年到再過四分之一個世紀的過渡時期等各種觀點。

為什么要花費這么長時間？

顯而易見的是，過渡之所以需要這么長時間，是因為沒有緊迫感。雖然一些行動者為部署雙棧服務和基礎設施做出了必要的改變，但其他行動者并不認為此類行動是當前的優先事項。只要推遲任何此類行動不會產生不可接受的商業后果，那么推遲就會繼續發生。

使用IPv6最初的理由是基于風險規避。NAT形式的地址共享被視為不可接受的措施。當可用的IPv4地址池耗盡時，人們認為互聯網的進一步增長將是不可能的，因為我們將全面放棄使用NAT。及時采用IPv6被視為避免這種情況的必要措施。

然而，NAT最初并不是ISP的問題。ISP有效地將NAT外包給用戶終端設備（CPE）供應商，從而將整個問題推給最終用戶和應用程序。應用程序設計人員面臨著一個簡單的現實，要么他們的應用程序在NAT的存在下完美地運行，要么就不能工作。應用程序不再采用端到端的連接模型，而是采用服務器/客戶端的服務模型。

下一步是部署在連接的客戶端沒有CPE的移動網絡。ISP將NAT部署到自己的基礎設施，所謂的運營商級NAT（CGN）變得司空見慣。如果我們在移動服務大規模普及之前完成了過渡，所有這些都是可以避免的。然而，由于這是在過渡期間發生的，每個移動服務提供商都必須推出一個向其客戶群提供IPv4服務的方案，無論他們是否已經部署了IPv6。這種或那種形式的CGN是對所有人的強制性要求。IPv6是額外可選的內容。

顯然，在互聯網的不同部分，人們不同程度地感受到了啟動雙棧服務的壓力。一些運營商不得不緊急部署IPv6，以減輕公共IPv4地址不足的壓力，從而支持他們的CGN。其他運營商目前并沒有任何部署壓力，他們愿意等待合適的時機再去部署。

發出共同需求的信號

請記住互聯網不是一個單一的實體。網絡的構成有很多，包括消費者零售服務網絡、企業網絡、物聯網（IoT）等。

在互聯網生態系統中有各種各樣的供應商。有IP接入運營商、IP傳輸提供商、平臺提供商、芯片制造商、應用提供商、內容平臺等。這些個體行動者通常通過市場信號相互交流各自的需求，而市場信號通常表現為價格。需求下的商品和服務承受價格壓力，而不再需要的商品和服務承受價格暴跌。

然而，多年來，我們不讓這種基于市場的分配機制影響IP地址。這背后有許多原因，包括認為地址是一種公共物品，希望對地址的消費實行保護原則，以實現某種形式的地址獲取公平，以及防止因市場扭曲而擾亂地址分配。

其結果是，傳統的定價機制無法發出即將到來的IPv4稀缺的信號。只有在2010年代當地址轉讓市場被添加到大環境中時，定價信息作為一種市場信號的形式才是有效的。

如果價格波動是市場情緒變化的信號，那么從2014年年初到2018年年初，公眾情緒沒有實質性變化。相對緩慢的價格上漲速度表明，對于即將出現的IPv4地址供應短缺的擔憂并不存在。即使2018年價格上漲，也被2019年和2020年穩定的價格所抵消。

2021年，情況發生了根本的改變，IPv4地址的價格翻了一番。價格的不斷上漲表明，目前市場供不應求。

市場并不擅長預測未來，但有助于我們了解當前所處的階段。

當前地址價格上漲告訴我們什么？似乎是在表明，過渡即將完成這件事沒有達成共識，對IPv4地址的需求將繼續超出供應一段時間。但至于這種情況會持續多久，市場定價信息沒有表明。

當向IPv6的過渡即將結束時，我們希望看到什么？據推測，到那時，對IPv4將不再有進一步的需求——IPv4的市場地位將從需求驅動轉向供過于求。在這種情況下過渡即將結束，需求不會有任何復蘇的前景。這將導致市場價格暴跌。

過渡要花費很長時間嗎？

如果我們不能預測這種過渡何時結束，我們是否至少可以就這種過渡是否會完成形成一個意見？

讓我感到震驚的是，人類傾向于將當前情況視為某種形式的強加拖欠。現在我們已經進行了約25年的IPv6過渡，互聯網似乎對用戶和他們訪問的服務都很實用，那么我們自然而然地相信這種情況會繼續一段時間，甚至無限期地持續下去。

你可以得出這樣的結論，這種情況是否站得住腳，則取決于你準備相信的互聯網增長模式。如果互聯網的增長階段實際上已經結束，我們現在看到的是一個飽和的市場，那么是的，我們現在處于一個可以維持的境地。

增長的領域似乎是云服務領域和物聯網領域，以及非洲和亞洲部分地區的傳統零售互聯網接入市場的持續擴張。目前估計，世界78億人口中，互聯網用戶人口約為42億。互聯網仍然存在一些增長空間。

向IPv6過渡是唯一的選擇嗎？

關于過渡的討論假定IPv6是唯一可用選項。如果是這樣的話，數字系統的范圍不斷擴展到嵌入對象的世界，這就使得純IPv6服務遲早是不可避免的。也許我們應該問，這種關于一組非常有限的選項，即一種選擇的看法，是否是準確的？

多年來，我們探索了幾種不同的網絡模型，其中一種似乎提供了潛在的可行替代方案，即基于名稱的網絡（name-based networks）。在基于名稱的網絡的最初概念中，我們考慮用服務標識符名稱替換數據包頭中的地址字段，并根據這些名稱路由和轉發數據包。當從足夠大的距離觀察時，基于整數賦值的端點標識和基于某種字符串編碼形式的端點標識在很大程度上是同構的。關鍵在于，基于名稱的網絡并不是一個特殊的概念，本質上的區別是具有稀疏使用模式的更大的令牌空間。

然而，我們在IPv4的激烈競爭中構建的東西有所不同。當我們解析DNS中的服務名稱時，DNS試圖為我們提供一個允許訪問該服務的地址。地址不一定是該特定服務唯一的名稱，因為對不同DNS服務名稱的解析查詢也可能返回相同的IP地址。地址在時間上不是固定的，因為在不同的時刻進行相同的DNS解析查詢可能會得到不同的地址。并且地址不是通用的，因為不同的用戶進行相同的DNS解析查詢可能會得到不同的地址。

服務名稱到IP地址映射中的這種潛在歧義可以在傳輸和應用程序級別上解決。當連接到該地址時，客戶端需要命名它想要連接到的服務。這種顯式服務標識是TLS協議中客戶端請求交換的一部分、HTTP初始交換的一部分，以及許多其他服務協議的一部分。這種間接級別旨在允許一個服務器承載多個服務，并允許一個服務承載在多個服務器上。結果是，IP地址與服務或網絡終端并不唯一相關聯。今天的網絡是命名網絡的一個版本，IP地址的作用是短暫的會話級令牌，它允許網絡區分并發數據包流和其他任何東西。

當我們繼續探索這個數字空間時，假設在20世紀70年代設計的關于分組交換網絡的架構是唯一可以工作的架構，并且我們永遠不會提出新的架構，這有點冒昧。今天的NAT、任播系統、內容分發網絡和增加應用級功能都指向互聯網正在悄然進行的另一個轉變。它不再依賴于作為不同網絡媒體和應用之間的通用適配協議的IP層，而是將共同依賴的協議棧提升到應用層。

IPv6我們達到了嗎？

很明顯還沒有。

但我們正在逼近。如果終點是為客戶提供純IPv6服務，那么在內容和服務平臺領域采用IPv6的持續努力將對我們何時達到這一點產生一些影響。

我沒有看到關于CGN中使用的IPv4地址數量與用戶規模的供應規則的公開數據。但是，隨著服務平臺中IPv6使用的增加和應用程序中IPv6偏好規則的使用，我絕對相信所需的IPv4地址池大小與客戶群的比例會隨著時間的推移逐步下降。

這引出了第二個觀點：我們很可能不會轟轟烈烈地到達這個過渡的終點，而是悄無聲息地到達。并不是所有的ISP都會在某個特定的日期關閉他們的CGN，退出IPv4。一種更有可能的情況是，為ISP的客戶端提供服務所需的IPv4地址池的大小將繼續下降。在某種程度上，ISP為自己的基礎設施繼續投入資源來運營這些CGN服務是沒有商業價值的。對IPv4服務有需求的客戶需要找到一個仍然提供IPv4的ISP，或者切換到外部IPv4服務，并使用某種形式的VPN隧道來訪問它。這可能不會同時發生在所有地方，而是在一個較長的時期內以一種零敲碎打的方式發生。