IPv4位址枯竭

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IPv4地址枯竭的時間線

IPv4地址枯竭（英語：IPv4 address exhaustion），又稱IPv4地址耗盡，為互聯網通訊協定第四版（IPv4）可使用的未核發地址完全用盡的狀況。從1980年代晚期互聯網開始普及以來，IPv4地址耗盡的顧慮便已經進入人們視界中。IPv6的研發及部署，主要就是為了解決這個問題[1]。截至2023年8月，IPv4和IPv6在互聯網上共存。

IP位址的全球性管理機構為互聯網號碼分配局（IANA），其下有五個區域互聯網註冊管理機構（RIR），負責在其對應的國家和地區，向各個終端使用者、國家或地區網絡中心（NIR）、地方網絡中心（LIR，例如ISP）等分配IP位址。

在理論上，IPv4最多可以提供232=42億9496萬7296個IP位址，IANA按照/8地址塊（即根據CIDR的定義，標示不同地址塊的字首的長度為8位元，此時有28=256個這樣的地址塊，每個包含232-8=24=1677萬7216個IPv4地址，下文類似）向RIR分配IPv4地址。被稱為「互聯網之父」之一的TCP/IP協定共同發明者文頓·格雷·瑟夫曾在多個場合承認他曾認為32位元地址足夠應付未來互聯網的使用[2][3][4]。但是自1989年全世界第一個商業ISP創立以來，由於互聯網用戶、始終線上的互聯網終端裝置、流動裝置等的快速增長，IPv4地址被迅速消耗。在1991年11月，互聯網工程任務組（IETF）為了推遲這個問題發生的時間點，推出分類網絡方案。1993年，推出網絡地址轉換（NAT）與無類別域間路由（CIDR）。但是這些過渡方案皆無法阻止地址枯竭問題的發生，只能減緩它的發生速度。最終，IETF於1998年12月提出了IPv6的規範草案[5]。

由IANA管理的IPv4位元址，於2011年1月31日完全用盡[6][7][8][9]。其他五個區域的可核發地址，除了為遷移IPv6而保留的最後一塊/8地址外，也隨之陸續用盡：亞太地區在2011年4月15日用盡[10][11][12]，歐洲地區在2012年9月14日，拉丁美洲及加勒比海地區在2014年6月10日[13]，非洲地區在2017年3月31日[14]。在大塊地址塊用盡後，五個區域管理機構分別發佈了最後一塊/8地址的分配政策，隨着地址耗盡的進展，政策也在相應變化，主要是限制並逐步減少每個會員的總IPv4地址申請數量以期延緩耗盡時間，同時鼓勵成員單位返還不再使用的IPv4地址以供重新分配。IANA也在想盡辦法在全球各個區域之間靈活調配剩餘可用的較小的零碎的地址塊，以延緩耗盡的行程。然而，北美地區在2015年9月24日[15]，歐洲地區在2019年11月25日[16]，拉丁美洲及加勒比海地區在2020年8月21日，正式宣佈耗盡了其所擁有的全部IPv4地址，同時啟動了排隊等位政策，只有老會員歸還IPv4地址，新會員才能得到相應的IPv4地址。截至2023年8月，亞太地區和非洲地區的RIR仍然保有相當規模的IPv4地址庫，但很難維持至2020年代末。

IPv4地址的最終枯竭的標誌是所有國家或地區網絡中心、ISP及擁有IPv4地址塊的終端使用者全部耗盡其IPv4地址，因而新的互聯網用戶幾乎不可能再獲得IPv4地址。這一情況很難實現，因為各個機構都可以通過回收用戶不使用的地址，並且向上級機構交還地址塊以重新分配的方式維持IPv4地址的相對流通。但是，部署IPv6並逐步淘汰IPv4已經被確立為IPv4地址枯竭問題的最終解決方案[11]。

地址枯竭原因

流動裝置

隨着IPv4日益成為網絡數字通信的事實標準，以及手機等流動裝置的處理效能大幅上升，這些流動裝置逐漸具備了連接互聯網的能力，也因此需要IP位址。4G裝置的新規範要求這些裝置支援IPv6地址。

始終線上的連接

自2007年起，寬頻互聯網的加速推廣，使得其在許多市場的滲透率已開始超過50%[17]。相較於撥號上網，這些寬頻連接往往始終處於活動狀態，而且閘道器裝置（如路由器、寬頻數據機）很少關閉，運營商無法從客戶手中回收IPv4地址，導致了運營商對IPv4地址的需求持續加速。

互聯網人口大量增加

1990年，有能力使用互聯網的家庭僅限於發達國家中的小部分家庭。僅僅15年後，發達國家中有將近一半的家庭擁有了連接互聯網的能力[18]，而發展中國家與地區如中國、印度，以及東南亞也開始佈局互聯網產業。自2010年代起，亞太地區對地址的需求已經與歐美地區處於同一個數量級，而可使用的IPv4地址卻仍舊有限。

地址使用效率低下

在20世紀80年代獲得IP位址的組織或機構，因為最初的分類網絡型分配方法不足以反映合理的使用情況，其被分配的地址往往遠超實際需要。例如，80年代有些大公司或大學被分配了A類地址塊，每個A類地址塊包含了超過1600萬個IPv4地址，因為下一個較小的單位配置（包含65,536個地址的B類地址塊）對於其預期部署來說太小了。

緩解方案

雖然IPv6為IPv4地址枯竭的實際解決方案，但是許多互聯網服務供應商和軟件供應商仍處於開始部署IPv6的階段[19]，因此各種緩解地址枯竭的方案陸續被各方提出：

  • 網絡地址轉換（NAT）[20]允許了同一個網絡中的多台主機共用同一個IPv4公網地址，而網絡中的主機只需被分配私有地址;
  • 私有專用網絡的劃分使得一些網絡無需使用公網地址[21]；
  • 虛擬伺服器受到推廣，在這個模式下單一IP位址可以同時服務多個不同域名的網站；
  • 區域互聯網註冊管理機構（RIR）對本地互聯網註冊管理機構（LIR）的地址分配進行更嚴格的控制，避免地址的浪費；
  • 對原有的網絡重新進行編號和子網絡劃分，以回收一些在早期分類網絡時代的互聯網被分配的大塊地址空間，這些空間普遍利用效率不高[20]。

枯竭進度

互聯網號碼分配局的IPv4地址枯竭

參見：已分配的/8 IPv4地址塊列表
1995年至2015年間的IPv4地址分配行程

2009年3月6日，ICANN理事會批准了一項/8地址塊的最終分配政策，該政策規定一旦IANA手中只剩與當時的區域互聯網註冊管理機構數目相當的/8地址塊時，將向各個RIR自動分配一個/8地址塊，並結束IANA的/8地址塊分發流程[22]。自2010年開始，IANA已經開始大規模分配預留的/8地址塊。2011年1月31日，IANA在手中僅剩餘7個地址塊的情況下，批准了APNIC的2個/8地址塊的申請[10][11]，由此正式觸發了IANA的IPv4地址枯竭階段[23][24]。各個RIR的最後一個/8地址塊在2011年2月3日的一場儀式上正式被分配[25]。

區域互聯網註冊管理機構的IPv4地址枯竭

IANA及RIR的IPv4地址枯竭時間線

各個RIR獲得的最後一個/8地址塊被全部（APNIC及RIPE NCC）或部分（ARIN[26]和LACNIC[27]各預留其1/4，AFRINIC[28]則預留其1/8）預留為僅提供給各個成員機構用於過渡到IPv6（例如用來運營電信級NAT）使用，並且制定了詳細的限制性分配政策。當各個區域互聯網註冊管理機構手中可供分配的IPv4地址塊僅剩其所預留的地址時，該區域互聯網註冊管理機構的IPv4地址供應即可以宣告「枯竭」，意味着成員機構無法按需獲得IPv4地址。

預留IPv4地址最多的兩個區域互聯網註冊管理機構，即亞太地區的APNIC[10][29][30][31][32][33]和歐洲地區的RIPE NCC[34]的IPv4地址池分別於2011年4月15日和2012年9月14日達到僅剩其所獲得的最後一個/8地址塊的程度，因而成為第一個和第二個宣告其IPv4地址枯竭的RIR。APNIC的管理範圍包括中國、印度等正經歷互聯網快速發展的發展中國家，RIPE NCC的管理範圍則包括中東和東歐各國。

拉丁美洲和加勒比地區的LACNIC的IPv4地址池於2014年6月10日達到僅剩一個/10地址塊的程度，因而成為第三個宣告其IPv4地址枯竭的RIR[35][36]。

北美地區的ARIN並沒有針對預留的最後地址塊採用額外的限制性分配政策[37]，其IPv4地址池於2014年4月23日減少至/8的規模[26]，隨後在2015年5月減少至/10規模，並且沒有減速。ARIN於2015年7月1日宣佈其無法繼續分配大塊的IPv4地址，並且啟動了等待佇列機制[38]。

非洲地區的AFRINIC的IPv4地址池於2017年3月31日減少至/8的規模[39]，並且於2020年1月13日減少至/11的規模[40]，因此成為全世界最後一個宣佈IPv4地址枯竭的區域互聯網註冊管理機構。

限制性分配政策、完全枯竭和等待佇列

隨着IPv4地址逐漸用盡，各個RIR均制定了詳細的限制性分配政策。

亞太地區的APNIC曾經實施極其激進的IPv4地址塊分配政策：一旦成員單位獲分配的IPv4地址的使用率達到80%，其就可以向APNIC申請相當於其一年使用量的IPv4地址[41]。自2011年1月31日及2月3日獲得3個/8地址塊以降，APNIC僅花了兩個半月即分配完其中的兩個，如果沒有任何限制措施，其最後一個IPv4地址再經過約一個月即可徹底宣告耗盡。隨着2011年4月15日APNIC只剩最後一個/8地址塊，APNIC轉向了一個極其嚴格的地址分配製度：在該制度下，每個成員（無論是當時已有的成員或是新成員）都只能自剩餘地址池中獲得一個/22大小的地址塊，或1024個IPv4地址[42][43]。這一地址可以被成員單位用於支撐NAT44或NAT64等服務。2011年時，APNIC擁有大約3000個成員，這個數字每年以300個的速度增加。因此，當時APNIC預測，其IPv4地址還可以供應數十年[44]。

其他地區並沒有限制每個成員獲得的IPv4地址的總數，只有限制每個成員每次獲得的地址塊的大小。因此，各個RIR迅速滑向IPv4地址完全枯竭的境況。2015年9月24日，ARIN宣佈其IPv4地址完全枯竭，成為第一個宣告IPv4地址完全枯竭的RIR[15]。RIPE NCC[45]和LACNIC[46]分別於2019年11月25日和2020年8月21日宣告其IPv4地址完全枯竭，並且啟用了等待佇列制度，後續的IPv4地址申請將按照其在等待佇列中的位置依次分配。在2023年底時，RIPE NCC的等待佇列的長度為約500天[47]，ARIN為約620天[48]，LACNIC則達到約1050天[49]。

RIR 第一階段枯竭日期[a] 第二階段枯竭日期[b]
亞太互聯網絡信息中心（APNIC） 2011年4月15日 （預計2025年底）
歐洲IP資源網絡協調中心（RIPE NCC） 2012年9月14日 2019年11月25日
美洲互聯網號碼序號產生器構（ARIN） （2014年4月23日） 2015年9月24日
拉丁美洲和加勒比地區互聯網絡信息中心（LACNIC） 2014年6月10日 2020年8月21日
非洲互聯網絡信息中心（AfriNIC） 2017年3月31日 （預計2028年底）
  1. ↑ 第一階段枯竭是指除了最後一塊/8地址外，其餘的IPv4地址已經全部發放完畢。此日期後調整IPv4地址發放政策並開始發放最後一塊/8的地址。
  2. ↑ 第二階段枯竭是指所有IPv4地址已經全部發放完畢。此日期後新的IPv4地址請求開始排隊，除非有人返還舊地址，否則無法再獲得新的IPv4地址。

國家、地區及ISP的IPv4地址枯竭

第三層是國家/地區級的，NIR級別的枯竭，因國家/地區而異。全球共有9個國家網絡中心。這層枯竭發生後，該國運營商通常無法再獲得新的IPv4地址塊。

RIR NIR 枯竭日期
APNIC 中華人民共和國 中國互聯網絡信息中心（CNNIC） TBD
中國台灣「網路資訊中心」（TWNIC） TBD
日本 日本互聯網絡信息中心（JPNIC） TBD
大韓民國 韓國互聯網振興院（KISA） TBD
越南 越南互聯網中心（VNNIC） TBD
印度 印度互聯網名稱與號碼序號產生器構（IRINN） TBD
印度尼西亞 印尼互聯網運營商組織（APJII） TBD
LACNIC 巴西 .BR資訊與協調中心（NIC.BR） TBD
墨西哥 墨西哥互聯網絡信息中心（NIC México） TBD

第四層是ISP級的枯竭。這層枯竭發生後，終端使用者無法再獲得新的IPv4地址。

中國的IPv4地址枯竭行程

中國自1994年起接入互聯網，同年獲得首個APNIC劃分的地址塊：43.224.0.0/11。中國大陸的IPv4地址分配分為三個階段：

  • 第一階段自1994年至2011年，特點是：APNIC的IPv4地址塊分配正常；中國獲得的IPv4地址塊在滿足全國互聯網寬頻接入埠的分配的基礎上，尚能留有30%的餘量；固定互聯網方面，一級運營商（中國電信、聯合網通、教育網等）及二級運營商（長城、移動寬頻等）都能使用靜態或動態NAT為用戶分配IPv4公網地址；流動互聯網則已經開始應用電信級NAT，但由於流動互聯網尚處在2G及功能機時代，應用不多，問題亦不嚴重。
  • 第二階段自2011年至2017年，特點是：隨着APNIC於2011年4月15日達到第一階段地址枯竭（僅剩一個/8地址塊）並限制每個成員單位只能再獲得此最後/8地址塊中的一個/22地址塊（1024個IPv4地址），中國內地的總IPv4地址數定格在3.3億；隨着3G、4G網絡及寬頻入戶工程的建設以及國民生活水平的提高，互聯網寬頻接入埠仍以每年數千萬的速度增長。結果，二級寬頻運營商及三、四線城市全面應用電信級NAT；隨着電信級NAT推廣，家庭搭建個人區域網路站及電驢等相當依賴公網IP的服務開始式微。
  • 第三階段自2018年起至今，特點是：隨着個人區域網路站大量遷移至各種雲平台以及互聯網用戶繼續增加，用於普通用戶的公網IPv4地址進一步被壓縮，結果即使是京滬的一級運營商亦開始採用電信級NAT[50]。同時，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《推進互聯網協定第六版（IPv6）規模部署行動計劃》[51]，全面開始IPv6部署；但運營商已經習慣靠電信級NAT解決IP位址不足的問題，向IPv6遷移意願不大。2021年6月，中國內地的IPv4地址庫達到頂峰，為3.45億個，隨後中國開始在APNIC框架下向其他國家轉移IPv4地址資源，持有的IPv4地址數量減少。截至2022年年底，中國內地有IPv4地址3.43億個（CNNIC持有0.64億個或18.6%）、IPv6 /32地址塊64,318個（CNNIC持有26,645個或41.4%）[52]。

歷史

主條目：IPv4

參見

參考文獻

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網際協定第6版
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