NAT 與地址稀缺帶來的壓力

在這個階段，互聯網別無選擇。

為了在 IPv6 普及之前維持 IPv4 網絡的增長，我們轉向了網絡地址轉換（NAT）。NAT 對互聯網工程任務組（IETF）來說是個棘手的問題。互聯網的核心理念是實現端到端的通信，而中間不進行干預。然而，NAT 在這個模型中打破了這種純粹的端到端通信，增加了網絡對特定設備的依賴。NAT 還削弱了網絡的靈活性，並限制了只能使用 TCP 和 UDP 這兩種傳輸協議。

IETF 一直抵制將 NAT 行為標準化的嘗試，可能是因為他們擔心一旦 NAT 的行為被標準化，會賦予 NAT 合法性，而這是許多 IETF 成員不願看到的。但這種抵制並沒有阻止 NAT 的廣泛部署。IPv4 地址已經耗盡，而 IPv6 還沒有普及，因此 NAT 成了最方便的解決方案。然而，不同廠商實現的 NAT 行為差異很大，特別是在處理 UDP（用戶數據報協議）時。這給軟件增加了複雜性。如果某個應用程式要做複雜的事情，比如連接多個用戶，它就需要動態檢測網絡路徑中使用的 NAT 類型。

儘管存在這些問題，NAT 依然是應對 IPv4 地址枯竭的低摩擦解決方案，因為它們可以獨立部署，不需要依賴其他外部網絡。然而，IPv6 的部署則需要其他網絡和伺服器也支持 IPv6。NAT 對地址的利用效率非常高，因為它不僅利用了 16 位的源端口字段，還可以通過時間共享的方式進一步提升地址使用效率。事實上，我們能夠在今天支撐數十億台設備同時連接互聯網，很大程度上歸功於 NAT 的廣泛使用。

伺服器架構也在發生變化。傳輸層安全協議（TLS）被引入到網頁伺服器中，允許客戶端在建立 TLS 會話時告訴伺服器它想要連接的服務名稱。這不僅讓 TLS 能夠驗證服務的真實性，還允許伺服器在一個平台上託管大量服務（僅使用一個 IP 地址），並通過這個 TLS 伺服器名稱指示（SNI）來區分不同的服務。因此，伺服器平台可以通過名字（即 DNS 名稱）來選擇服務，這使得一個伺服器平台可以為大量不同的伺服器提供服務。NAT 的廣泛使用和伺服器資源共享的做法緩解了整個 IPv4 地址環境的壓力。

展示 IPv4 地址稀缺壓力變化的一個好辦法就是觀察過去十年間地址轉讓的市場價格。稀缺性通常會反映在市場價格中。圖 8 展示了 IPv4 地址交易價格的時間序列。

在 COVID 疫情爆發期間（2021 年），IPv4 地址的價格急劇上升，但之後價格回落，目前每個 IPv4 地址的價格在 30 到 40 美元之間，雖然價格區間從 26 到 42 美元不等，但在 2024 年總體比較穩定。這些價格數據表明，2024 年 IPv4 地址仍有需求，但供需之間已經趨於平衡，市場上沒有表現出「稀缺溢價」，也就是說，地址市場上沒有因稀缺而大幅漲價。這表明 NAT（網絡地址轉換）在提升 IPv4 地址利用效率上起到了很大作用，因為它通過使用端口號的 16 位空間和共享地址池，大大延長了 IPv4 的使用壽命。

不過，不只是 NAT 幫助緩解了 IPv4 地址的稀缺。數據顯示，過去十年間， IPv6 的採用率上升，已經覆蓋了大約 40% 的互聯網用戶。大多數應用程式（包括瀏覽器）支持「Happy Eyeballs」技術，這意味着如果 IPv6 和 IPv4 同時可用，應用程式會優先使用 IPv6。隨着越來越多的網絡提供商推出 IPv6 服務，IPv6 的使用優先級減輕了對 IPv4 地址池的壓力，NAT 的使用需求也相應減少。

過渡期還要持續多久？

現在我們處於 IPv6 過渡的中期階段，那麼問題是：這次過渡還會持續多久？

這個問題看似簡單，但實際上需要進一步解釋。什麼時候我們才能宣佈 IPv6 過渡完成呢？是等到互聯網不再有任何基於 IPv4 的流量嗎？還是等到公共互聯網服務不再需要 IPv4？又或者是當 IPv6 唯一的服務就能順利運行的時候？還是等到 IPv4 地址價格完全崩潰時？

或許，我們可以採取一種更務實的態度，把「完成」定義為不再需要 IPv4 的時刻。這意味着當一個服務提供商能夠只用 IPv6 來運行互聯網服務，並且不再提供任何支持 IPv4 的訪問方式時，就可以認為過渡完成了。

這意味着 ISP 必須提供 IPv6 服務。同時，所有與互聯網連接的邊緣網絡和設備（如家庭網絡和用戶的電腦、手機）也都需要支持 IPv6。因為到了過渡完成的時刻，ISP 將不再提供 IPv4 服務。此外，所有用戶訪問的服務也必須支持 IPv6，包括主流的雲服務平台、流媒體服務、內容分發平台，以及像 Slack、Xero、Atlassian 等專門的平台。據 Internet Society 的 Pulse 數據顯示，目前全球前 1000 個網站中，只有約 47% 的網站可以通過 IPv6 訪問，顯然還有很多服務平台需要做出改進，而這將需要更多時間。

當我們觀察美國的 IPv6 普及數據時，還有一些有趣的現象（如圖 9 所示）。

數據顯示，自 2019 年中期以來，美國的 IPv6 使用率保持不變。為什麼在這部分互聯網中，IPv6 的過渡沒有進一步推進呢？我認為，根本原因是互聯網架構發生了重大變化。

互聯網架構的變化

互聯網架構的一個主要變化是它不再完全依賴於 IP 地址。現在，用戶不再需要一個長期有效的、唯一的公共 IP 地址就能與伺服器和服務進行通信。同樣，伺服器也不需要依賴唯一的公共 IP 地址來向用戶提供服務或內容。當每個用戶和每個服務都不需要唯一的公共 IP 地址時，地址短缺的問題就變得不那麼嚴重了。

有些跡象表明這種架構變化帶來的影響，例如，互聯網內部的經濟模式也在發生變化。最初，IP 協議是為了讓連接設備之間相互通信。ISP（網絡服務提供商）為用戶提供連接內容和服務所需的資源。那時，網絡服務的成本佔據了互聯網運營成本的大部分，而且距離是網絡中最主要的成本因素。那些提供遠距離通信服務的 ISP（所謂的「傳輸供應商」）佔據主導地位。因此，我們花了大量時間處理網絡服務提供商之間的互聯、客戶/供應商關係以及各種對等連接和交換協議。ISP 實際上充當了調配稀缺遠距離通信能力的中介角色，這是經典的網絡經濟模式。

多年間，通信服務的需求遠超可用資源，價格成為平衡供需的調節工具。但隨着摩爾定律的持續影響，計算和通信成本不斷下降，一切都發生了變化。

最明顯的變化是單個集成電路中電晶體的數量大幅增加。圖 11 顯示了自 1970 年以來電晶體數量的變化。

2024 年最新的晶片是蘋果的 M3 晶片，採用 3nm 工藝，擁有高達 920 億個電晶體。除了為 AI 基礎設施提供動力之外，現代的處理能力已經成為廉價且充足的資源。

集成電路生產技術的持續進步也影響了存儲的大小和單位成本。雖然存儲器的速度在過去十多年中基本保持不變，但單位存儲成本則一直呈指數級下降。存儲資源變得非常充足。

這種處理能力的提升同樣深刻影響了通信成本和容量。光纖通信系統的限制因素是數碼訊號處理器和調製器的能力，隨着矽晶片技術的進步，發射器和接收器的信號處理能力得到提升，光纖電路上的單波長容量也得以增加。

處理、存儲和傳輸容量從資源稀缺到資源充裕的變化，極大改變了互聯網的服務模式。如今，我們預先在靠近用戶的網絡邊緣位置部署內容和服務的副本，並儘可能從這些邊緣節點向附近的訪問網絡提供內容和服務。這一做法推動了內容分發網絡（CDN）的擴展，使其幾乎涵蓋了互聯網上的所有內容和服務。在這樣做的過程中，距離因素從網絡交易中被消除，大多數網絡交易都是在較短的距離內完成的。

結果是，消除了向用戶推送內容和服務的距離。我們能夠利用 5G 流動網絡的巨大潛力，避免了在高延遲連接上傳輸協議效率低下的問題。如今的接入網絡擁有更大的總容量，且服務平台與用戶的物理距離較近，使得傳輸協議可以更好地利用這種容量，而低延遲連接的傳輸會更加高效。通過更短距離的高容量電路進行服務交互，互聯網速度大幅提升。

不僅僅是「更大」、「更快」，現在的通信、處理和存儲資源充裕，使得互聯網運營成本大幅下降。這種環境中的許多業務都依賴於廣告市場這個集體資產，而個人幾乎無法單獨資本化這一點。這一切的結果是，曾經只有少數人才能享用的奢侈服務，如今已經成為大眾可負擔的普及化服務。

除了更大、速度更快和成本更低，數字環境中基礎資源的充裕還改變了互聯網的經濟模式。網絡作為稀缺通信能力仲裁者的角色已經淡化，互聯網經濟的焦點也從基礎網絡層轉移到了應用和服務層。

現在讓我們回到向 IPv6 過渡的情況。這需要網絡運營商進行投資，首先切換到雙棧平台（即同時支持 IPv4 和 IPv6），最終則完全移除 IPv4 的支持。但是，如果 IPv4 加上網絡地址轉換（NATs）能夠充分滿足傳輸功能的話，那麼就沒有動力讓內容和服務提供商支付額外費用來使用雙棧平台。

過去，是域名充當服務標識符，並且域名支撐了用戶對於在線服務真實性的測試，而域名系統（DNS）越來越多地被用來引導用戶到「最佳」的內容或服務交付點。簡單來看，從服務提供和用戶體驗的角度來看，不管是使用 IPv4 地址還是 IPv6 地址，都不再是決定服務質量或者用戶能否訪問服務的關鍵因素。相反，在現代的內容分發網絡（CDN）中，真正重要的是域名或者說服務的名字。就像我們平時上網時輸入網站的網址（比如 www.example.com），這個網址就是所謂的「名字」，它指向了實際的服務或內容所在的位置。用戶通常關心的是這個「名字」，而不是背後的具體 IP 地址。因此，在 CDN 這樣的網絡環境中，域名成為了連接用戶和服務的關鍵「貨幣」。

那麼，到了 2024 年，我們處於什麼狀態呢？

今天的公共互聯網主要是通過 CDN 來儘可能接近用戶來推送內容和服務。多個服務共享同一個底層平台，這主要依靠 TLS（傳輸層安全協議）來實現，並通過 TLS 握手過程中的 SNI 字段來選擇具體的服務。我們用 DNS 來找到離用戶最近的服務點。CDN 的目標是直接連接到用戶所在的網絡，這樣在 CDN 內部就會形成一個簡化的路由表，使得數據傳輸更高效。從這個角度看，DNS 已經承擔了原本由路由完成的工作！雖然我們現在並沒有直接路由「名字」，但互聯網的實際工作方式卻很像一個基於名字的數據網絡。

這一架構變化對互聯網產生了一些額外的影響。雖然 TLS（傳輸層安全協議）存在不少爭議，但它確實是目前互聯網上驗證真實性的主要手段。DNSSEC（域名系統安全擴展）到現在也沒有得到廣泛的應用，因為它太複雜、不夠穩定，而且對於很多服務和用戶來說太慢了。儘管有人認為 DNSSEC 的優點足以容忍它的缺點，但大多數域名持有者和用戶並不這麼認為，再多的推廣也無法改變這一現實。這表明，重要的是服務能夠證明自己是由名稱所有者運營的，而不只是名稱映射到 IP 地址。另外，RPKI（資源公鑰基礎設施）雖然用於保護 BGP 路由協議中的信息傳遞，但在不需要路由的服務網絡中，其實用處不大。

這些觀察結果表明，IPv6 過渡進展緩慢並不是因為行業愚蠢或短視，而是另有原因。事實上，IPv6 本身並不是許多最終用戶服務所必需的。我們已經成功地將基於 1980 年代的地址架構擴展了超過十億倍，通過將核心依賴從地址轉向名稱。嘗試切換到另一個僅僅略有不同的 1980 年代地址架構（除了地址更長之外）並沒有帶來真正的長期好處。

從長遠來看，這一切將如何發展？我們將越來越多地把內容和服務從網絡推向應用程式。傳輸基礎設施正變得越來越普及和廉價。網絡共享技術（如復用）變得越來越不重要。由於我們擁有大量的網絡和計算資源，不再需要把用戶帶到服務所在地。相反，我們將服務送到用戶身邊，並利用內容框架來複製伺服器和服務。隨着計算和存儲能力的增強，應用程式本身已經成為服務的一部分，而不僅僅是遠程服務的一個窗口。

如果是這樣，網絡本身還會那麼重要嗎？在過去幾十年裏，我們逐漸減少了對網絡中心化功能的依賴，取而代之的是簡單且廉價的數據傳輸通道。雖然這種通道速度快、成本低，但應用程式需要在其上添加自己的功能。當我們將這些功能推向網絡邊緣，並最終脫離網絡時，剩下的就只是簡單的「傻管道」。

這時候，有必要問一下：到底是什麼定義了互聯網？傳統的答案是：「一個共享的傳輸結構、一套通用的協議和一個通用的地址池。」但現在這仍然適用嗎？或者今天的網絡更像是「一組通過共同命名空間來共享的不同服務」？

當我們考慮現在的互聯網時，端點協議地址的選擇真的重要嗎？普遍唯一的端點尋址可能是 1980 年代的概念，它現在是否已經過時了？如果網絡活動都是本地化的，那麼還需要全球唯一的端點地址嗎？如果我們找不到全球唯一地址的意義，為什麼還要堅持使用它們？誰來決定何時放棄這一概念？這是否是一個市場行為，即使用本地地址的網絡可以通過降低成本獲得優勢？還是說，傳輸服務已經足夠便宜，以至於放棄全球唯一地址帶來的好處微乎其微，不值得考慮？

而在我們思考這些問題的同時，我們不妨問問自己：參考框架在網絡中的作用是什麼呢？如果沒有一個共同的參考標準，我們如何有效地溝通？當我們想到參考框架時，「共同」意味着什麼？我們如何將『模糊』的人類語言空間與嚴格約束的確定性計算機符號空間結合起來？

當然，這裏有很多值得思考的問題！

那麼，這將 IPv6 的過渡置於何處？我認為我們將會長時間停留在雙棧世界裏。似乎沒有人願意去完成過渡，也沒有人想退回到僅使用 IPv4 的時代。這就是我們現在的情況，部分過渡到 IPv6 的狀態似乎變得越來越像是永久的了！

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