IPv4地址枯竭

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IPv4地址枯竭的时间线

IPv4地址枯竭（英语：IPv4 address exhaustion），又称IPv4地址耗尽，为互联网通讯协定第四版（IPv4）可使用的未核发地址完全用尽的状况。从1980年代晚期互联网开始普及以来，IPv4地址耗尽的顾虑便已经进入人们视界中。IPv6的研发及部署，主要就是为了解决这个问题[1]。截至2023年8月，IPv4和IPv6在互联网上共存。

IP地址的全球性管理机构为互联网号码分配局（IANA），其下有五个区域互联网注册管理机构（RIR），负责在其对应的国家和地区，向各个最终用户、国家或地区网络中心（NIR）、地方网络中心（LIR，例如ISP）等分配IP地址。

在理论上，IPv4最多可以提供232=42亿9496万7296个IP地址，IANA按照/8地址块（即根据CIDR的定义，标示不同地址块的前缀的长度为8位，此时有28=256个这样的地址块，每个包含232-8=24=1677万7216个IPv4地址，下文类似）向RIR分配IPv4地址。被称为“互联网之父”之一的TCP/IP协议共同发明者文顿·格雷·瑟夫曾在多个场合承认他曾认为32位地址足够应付未来互联网的使用[2][3][4]。但是自1989年全世界第一个商业ISP创立以来，由于互联网用户、始终在线的互联网终端设备、移动设备等的快速增长，IPv4地址被迅速消耗。在1991年11月，互联网工程任务组（IETF）为了推迟这个问题发生的时间点，推出分类网络方案。1993年，推出网络地址转换（NAT）与无类别域间路由（CIDR）。但是这些过渡方案皆无法阻止地址枯竭问题的发生，只能减缓它的发生速度。最终，IETF于1998年12月提出了IPv6的规范草案[5]。

由IANA管理的IPv4位址，于2011年1月31日完全用尽[6][7][8][9]。其他五个区域的可核发地址，除了为迁移IPv6而保留的最后一块/8地址外，也随之陆续用尽：亚太地区在2011年4月15日用尽[10][11][12]，欧洲地区在2012年9月14日，拉丁美洲及加勒比海地区在2014年6月10日[13]，非洲地区在2017年3月31日[14]。在大块地址块用尽后，五个区域管理机构分别发布了最后一块/8地址的分配政策，随着地址耗尽的进展，政策也在相应变化，主要是限制并逐步减少每个会员的总IPv4地址申请数量以期延缓耗尽时间，同时鼓励成员单位返还不再使用的IPv4地址以供重新分配。IANA也在想尽办法在全球各个区域之间灵活调配剩余可用的较小的零碎的地址块，以延缓耗尽的进程。然而，北美地区在2015年9月24日[15]，欧洲地区在2019年11月25日[16]，拉丁美洲及加勒比海地区在2020年8月21日，正式宣布耗尽了其所拥有的全部IPv4地址，同时启动了排队等位政策，只有老会员归还IPv4地址，新会员才能得到相应的IPv4地址。截至2023年8月，亚太地区和非洲地区的RIR仍然保有相当规模的IPv4地址库，但很难维持至2020年代末。

IPv4地址的最终枯竭的标志是所有国家或地区网络中心、ISP及拥有IPv4地址块的最终用户全部耗尽其IPv4地址，因而新的互联网用户几乎不可能再获得IPv4地址。这一情况很难实现，因为各个机构都可以通过回收用户不使用的地址，并且向上级机构交还地址块以重新分配的方式维持IPv4地址的相对流通。但是，部署IPv6并逐步淘汰IPv4已经被确立为IPv4地址枯竭问题的最终解决方案[11]。

地址枯竭原因

移动设备

随着IPv4日益成为网络数字通信的事实标准，以及手机等移动设备的处理性能大幅上升，这些移动设备逐渐具备了连接互联网的能力，也因此需要IP地址。4G设备的新规范要求这些设备支持IPv6地址。

始终在线的连接

自2007年起，宽带互联网的加速推广，使得其在许多市场的渗透率已开始超过50%[17]。相较于拨号上网，这些宽带连接往往始终处于活动状态，而且网关设备（如路由器、宽带调制解调器）很少关闭，运营商无法从客户手中回收IPv4地址，导致了运营商对IPv4地址的需求持续加速。

互联网人口大量增加

1990年，有能力使用互联网的家庭仅限于发达国家中的小部分家庭。仅仅15年后，发达国家中有将近一半的家庭拥有了连接互联网的能力[18]，而发展中国家与地区如中国、印度，以及东南亚也开始布局互联网产业。自2010年代起，亚太地区对地址的需求已经与欧美地区处于同一个数量级，而可使用的IPv4地址却仍旧有限。

地址使用效率低下

在20世纪80年代获得IP地址的组织或机构，因为最初的分类网络型分配方法不足以反映合理的使用情况，其被分配的地址往往远超实际需要。例如，80年代有些大公司或大学被分配了A类地址块，每个A类地址块包含了超过1600万个IPv4地址，因为下一个较小的分配单元（包含65,536个地址的B类地址块）对于其预期部署来说太小了。

缓解方案

虽然IPv6为IPv4地址枯竭的实际解决方案，但是许多互联网服务提供商和软件供应商仍处于开始部署IPv6的阶段[19]，因此各种缓解地址枯竭的方案陆续被各方提出：

  • 网络地址转换（NAT）[20]允许了同一个网络中的多台主机共享同一个IPv4公网地址，而网络中的主机只需被分配私有地址;
  • 私有专用网络的划分使得一些网络无需使用公网地址[21]；
  • 虚拟服务器受到推广，在这个模式下单一IP地址可以同时服务多个不同域名的网站；
  • 区域互联网注册管理机构（RIR）对本地互联网注册管理机构（LIR）的地址分配进行更严格的控制，避免地址的浪费；
  • 对原有的网络重新进行编号和子网划分，以回收一些在早期分类网络时代的互联网被分配的大块地址空间，这些空间普遍利用效率不高[20]。

枯竭进度

互联网号码分配局的IPv4地址枯竭

参见：已分配的/8 IPv4地址块列表
1995年至2015年间的IPv4地址分配进程

2009年3月6日，ICANN理事会批准了一项/8地址块的最终分配政策，该政策规定一旦IANA手中只剩与当时的区域互联网注册管理机构数目相当的/8地址块时，将向各个RIR自动分配一个/8地址块，并结束IANA的/8地址块分发流程[22]。自2010年开始，IANA已经开始大规模分配预留的/8地址块。2011年1月31日，IANA在手中仅剩余7个地址块的情况下，批准了APNIC的2个/8地址块的申请[10][11]，由此正式触发了IANA的IPv4地址枯竭阶段[23][24]。各个RIR的最后一个/8地址块在2011年2月3日的一场仪式上正式被分配[25]。

区域互联网注册管理机构的IPv4地址枯竭

IANA及RIR的IPv4地址枯竭时间线

各个RIR获得的最后一个/8地址块被全部（APNIC及RIPE NCC）或部分（ARIN[26]和LACNIC[27]各预留其1/4，AFRINIC[28]则预留其1/8）预留为仅提供给各个成员机构用于过渡到IPv6（例如用来运营电信级NAT）使用，并且制定了详细的限制性分配政策。当各个区域互联网注册管理机构手中可供分配的IPv4地址块仅剩其所预留的地址时，该区域互联网注册管理机构的IPv4地址供应即可以宣告“枯竭”，意味着成员机构无法按需获得IPv4地址。

预留IPv4地址最多的两个区域互联网注册管理机构，即亚太地区的APNIC[10][29][30][31][32][33]和欧洲地区的RIPE NCC[34]的IPv4地址池分别于2011年4月15日和2012年9月14日达到仅剩其所获得的最后一个/8地址块的程度，因而成为第一个和第二个宣告其IPv4地址枯竭的RIR。APNIC的管理范围包括中国、印度等正经历互联网快速发展的发展中国家，RIPE NCC的管理范围则包括中东和东欧各国。

拉丁美洲和加勒比地区的LACNIC的IPv4地址池于2014年6月10日达到仅剩一个/10地址块的程度，因而成为第三个宣告其IPv4地址枯竭的RIR[35][36]。

北美地区的ARIN并没有针对预留的最后地址块采用额外的限制性分配政策[37]，其IPv4地址池于2014年4月23日减少至/8的规模[26]，随后在2015年5月减少至/10规模，并且没有减速。ARIN于2015年7月1日宣布其无法继续分配大块的IPv4地址，并且启动了等待队列机制[38]。

非洲地区的AFRINIC的IPv4地址池于2017年3月31日减少至/8的规模[39]，并且于2020年1月13日减少至/11的规模[40]，因此成为全世界最后一个宣布IPv4地址枯竭的区域互联网注册管理机构。

限制性分配政策、完全枯竭和等待队列

随着IPv4地址逐渐用尽，各个RIR均制定了详细的限制性分配政策。

亚太地区的APNIC曾经实施极其激进的IPv4地址块分配政策：一旦成员单位获分配的IPv4地址的使用率达到80%，其就可以向APNIC申请相当于其一年使用量的IPv4地址[41]。自2011年1月31日及2月3日获得3个/8地址块以降，APNIC仅花了两个半月即分配完其中的两个，如果没有任何限制措施，其最后一个IPv4地址再经过约一个月即可彻底宣告耗尽。随着2011年4月15日APNIC只剩最后一个/8地址块，APNIC转向了一个极其严格的地址分配制度：在该制度下，每个成员（无论是当时已有的成员或是新成员）都只能自剩余地址池中获得一个/22大小的地址块，或1024个IPv4地址[42][43]。这一地址可以被成员单位用于支撑NAT44或NAT64等服务。2011年时，APNIC拥有大约3000个成员，这个数字每年以300个的速度增加。因此，当时APNIC预测，其IPv4地址还可以供应数十年[44]。

其他地区并没有限制每个成员获得的IPv4地址的总数，只有限制每个成员每次获得的地址块的大小。因此，各个RIR迅速滑向IPv4地址完全枯竭的境况。2015年9月24日，ARIN宣布其IPv4地址完全枯竭，成为第一个宣告IPv4地址完全枯竭的RIR[15]。RIPE NCC[45]和LACNIC[46]分别于2019年11月25日和2020年8月21日宣告其IPv4地址完全枯竭，并且启用了等待队列制度，后续的IPv4地址申请将按照其在等待队列中的位置依次分配。在2023年底时，RIPE NCC的等待队列的长度为约500天[47]，ARIN为约620天[48]，LACNIC则达到约1050天[49]。

RIR 第一阶段枯竭日期[a] 第二阶段枯竭日期[b]
亚太互联网络信息中心（APNIC） 2011年4月15日 （预计2025年底）
欧洲IP资源网络协调中心（RIPE NCC） 2012年9月14日 2019年11月25日
美洲互联网号码注册机构（ARIN） （2014年4月23日） 2015年9月24日
拉丁美洲和加勒比地区互联网络信息中心（LACNIC） 2014年6月10日 2020年8月21日
非洲互联网络信息中心（AfriNIC） 2017年3月31日 （预计2028年底）
  1. ↑ 第一阶段枯竭是指除了最后一块/8地址外，其余的IPv4地址已经全部发放完毕。此日期后调整IPv4地址发放政策并开始发放最后一块/8的地址。
  2. ↑ 第二阶段枯竭是指所有IPv4地址已经全部发放完毕。此日期后新的IPv4地址请求开始排队，除非有人返还旧地址，否则无法再获得新的IPv4地址。

国家、地区及ISP的IPv4地址枯竭

第三层是国家/地区级的，NIR级别的枯竭，因国家/地区而异。全球共有9个国家网络中心。这层枯竭发生后，该国运营商通常无法再获得新的IPv4地址块。

RIR NIR 枯竭日期
APNIC 中华人民共和国 中国互联网络信息中心（CNNIC） TBD
中国台湾“网路资讯中心”（TWNIC） TBD
日本 日本互联网络信息中心（JPNIC） TBD
大韩民国 韩国互联网振兴院（KISA） TBD
越南 越南互联网中心（VNNIC） TBD
印度 印度互联网名称与号码注册机构（IRINN） TBD
印度尼西亚 印尼互联网运营商组织（APJII） TBD
LACNIC 巴西 .BR信息与协调中心（NIC.BR） TBD
墨西哥 墨西哥互联网络信息中心（NIC México） TBD

第四层是ISP级的枯竭。这层枯竭发生后，最终用户无法再获得新的IPv4地址。

中国的IPv4地址枯竭进程

中国自1994年起接入国际互联网，同年获得首个APNIC划分的地址块：43.224.0.0/11。中国大陆的IPv4地址分配分为三个阶段：

  • 第一阶段自1994年至2011年，特点是：APNIC的IPv4地址块分配正常；中国获得的IPv4地址块在满足全国互联网宽带接入端口的分配的基础上，尚能留有30%的余量；固定互联网方面，一级运营商（中国电信、联合网通、教育网等）及二级运营商（长城、移动宽带等）都能使用静态或动态NAT为用户分配IPv4公网地址；移动互联网则已经开始应用电信级NAT，但由于移动互联网尚处在2G及功能机时代，应用不多，问题亦不严重。
  • 第二阶段自2011年至2017年，特点是：随着APNIC于2011年4月15日达到第一阶段地址枯竭（仅剩一个/8地址块）并限制每个成员单位只能再获得此最后/8地址块中的一个/22地址块（1024个IPv4地址），中国内地的总IPv4地址数定格在3.3亿；随着3G、4G网络及宽带入户工程的建设以及国民生活水平的提高，互联网宽带接入端口仍以每年数千万的速度增长。结果，二级宽带运营商及三、四线城市全面应用电信级NAT；随着电信级NAT推广，家庭搭建个人网站及电驴等相当依赖公网IP的服务开始式微。
  • 第三阶段自2018年起至今，特点是：随着个人网站大量迁移至各种云平台以及互联网用户继续增加，用于普通用户的公网IPv4地址进一步被压缩，结果即使是京沪的一级运营商亦开始采用电信级NAT[50]。同时，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》[51]，全面开始IPv6部署；但运营商已经习惯靠电信级NAT解决IP地址不足的问题，向IPv6迁移意愿不大。2021年6月，中国内地的IPv4地址库达到顶峰，为3.45亿个，随后中国开始在APNIC框架下向其他国家转移IPv4地址资源，持有的IPv4地址数量减少。截至2022年年底，中国内地有IPv4地址3.43亿个（CNNIC持有0.64亿个或18.6%）、IPv6 /32地址块64,318个（CNNIC持有26,645个或41.4%）[52]。

历史

主条目：IPv4

参见

参考文献

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