自 2011 年互联网号码分配局（IANA）宣布 IPv4 地址已经全部分派完毕以来，人们便清楚 IPv6 取代 IPv4 已是大势所趋。然而许多人可能不知道的是，从 IPv6 的第一个协议规范问世至今已经 25 年之久。而为何直到今日，我们仍未完全过渡到 IPv6？

对此，来自亚太地区互联网信息中心（APNIC）的首席科学家 Geoff Huston 在其个人博客最新发表了一篇《The IPv6 Transition》的文章，从技术、应用、以及外在因素等多个角度深度分析了 IPv6 的现状。Huston 表示，数据预测直到 2045 年左右，IPv4 向 IPv6 的过渡才能彻底完成，也就是说，还需大约 20 年的时间，但是他个人认为，IPv4+IPv6 的双栈模式将会是永久的。

原文链接：https://www.potaroo.net/ispcol/2024-10/ipv6-transition.html

以下为译文：

还记得，我在 2022 年 5 月时曾写过一篇文章，主题为《我们都用上 IPv6 了吗？》（IPv6 是 IPv4 的下一代互联网协议）。当时，我乐观地总结道：尽管还没有完全完成过渡，但已经快了。我认为我们不会在转向 IPv6 的过程中大张旗鼓，而是会悄悄进行并完成过渡。然而，几年后，我想对这些结论进行一些修正，谈谈我们当前向 IPv6 迁移的现状以及进一步解释其中的原因。

时下，公共互联网向 IPv6 的过渡状态仍然让我们感到困惑。要知道，第一份完整的 IPv6 协议规范 RFC 2460（即互联网工程任务组发布的 IPv6 协议规范）于 1998 年 12 月发布，距今已有 25 年了。IPv6 的目的是为了替代 IPv4，因为 IPv4 的地址资源即将耗尽。然而，尽管 IPv4 地址在十多年前已经用完，但互联网还是主要依赖 IPv4 运行。这场向 IPv6 的过渡已经进行了 25 年，如果 IPv4 地址耗尽曾经让大家感到紧迫感的话，那么我们已经适应了这种“地址耗尽”的状态。也许现在是时候再次提出这个问题了：这场向 IPv6 的过渡还需要多久才能完成？

在 APNIC Labs（亚太网络信息中心实验室），我们已经监测 IPv6 普及情况超过十年了。我们采用的方法是从互联网用户的角度来观察网络，测量能够通过 IPv6 访问特定服务的用户比例。数据是通过一个嵌入在线广告的脚本收集的，这些广告投放到不同的用户群体中，持续采样。

一方面，图 1 显示出经典的“持续增长曲线”，意味着 IPv6 的采用率在不断上升。但问题在于 Y 轴上的数值。到了 2024 年，只有略多于三分之一的互联网用户能够访问仅支持 IPv6 的服务。其他用户仍然只能使用 IPv4 的网络。

这似乎是一个非常反常的情况。十多年前，IPv4 地址就已经分配完了，然而互联网不仅在“无新地址”的情况下继续运行，还能应对越来越多的联网设备。到 2024 年底，估计全球有大约 200 亿台设备使用互联网，但互联网的 IPv4 路由表只包含大约 30.3 亿个唯一的 IPv4 地址。互联网的原始设计假设每个设备都有自己独立的 IP 地址，但如今每个 IPv4 地址平均要被 7 台设备共享，然而似乎一切运作正常！如果“端到端”（每台设备都有独立地址）是互联网架构的核心原则，那么对于仍使用 IPv4 访问和服务的用户来说，这个原则已经不再适用了。

IPv6 是为了应对 IPv4 面临的问题设计的。IPv6 协议中的 128 位地址字段提供了足够的地址空间，能够让每个联网设备都拥有自己独一无二的地址。IPv6 的设计非常保守，简而言之，它就是“拥有更大地址空间的 IPv4”。虽然 IPv6 在一些地方做了调整，比如数据包分片控制（数据包分片是为了让大的数据包可以在网络上传输时被拆分）、地址获取协议（IPv4 中的地址解析协议 ARP 在 IPv6 中被邻居发现协议替代）以及 IP 选项字段的变化，但上层的传输协议（如 TCP 和 UDP）保持不变。IPv6 的设计目标是让这个变化在网络协议栈中的一层基本是“隐形”的，而不是带来一个完全新的网络模式。

从这个意义上说，IPv6 是对 IPv4 的一个小幅度改进，它确实达到了这一目标。但由于这个变化相对温和，IPv6 在协议的使用和性能方面并没有带来明显的提升。IPv6 并没有比 IPv4 更快、更灵活或更安全。它的主要好处是防止 IPv4 地址用尽这一未来风险。从市场的角度看，许多市场（包括互联网在内）通常对未来风险的预期给出较低的优先级。因此，推动这场过渡的动力是多种多样的，因为部署 IPv6 并不能立即带来成本降低、收入增加或市场份额扩大的明显好处。在网络领域，市场行为是协调各方行动的关键，这种对 IPv6 价值的不同看法导致了个体参与者的犹豫不决，进而使得整个过渡进展缓慢，大家并没有感受到共同的紧迫感。

为了说明这一点，我们可以看看图 1 中的时间序列，问这样一个问题：“如果 IPv6 的普及率继续以当前的速度增长，还要多久所有设备都能支持 IPv6？”这是指在图 1 的数据上加一条线性趋势线，并找到趋势线达到 100% 的日期。根据从 2020 年 1 月到现在的数据，使用最小二乘法拟合出一条线性趋势线，我们可以得到图 2。

这个预测表明，到 2045 年左右，这场过渡才能完成，距离现在还有大约 20 年。需要注意的是，这个预测并没有深度考虑各类服务提供商、消费者和网络实体的行为。唯一的假设是，未来的形势将会与近期过去的情况保持一致。换句话说，这个预测假设“明天会和今天差不多”。

图2 中预测的日期并不是最大的担忧，令人关心的是这个模型预测 IPv6 的过渡还要持续 20 年。如果 IPv6 的设计初衷是为了让所有连接互联网的设备都能拥有一致的、唯一的地址，那么这个“唯一设备地址”的概念从 2015 年到 2045 年总共被搁置了约 30 年，这就让人质疑这种唯一设备地址框架的作用和价值了！如果我们可以在没有这种一致的设备地址架构下，仍然运行一个功能完善的互联网长达三十年，那么未来为什么还需要恢复这种地址一致性呢？如果 IPv6 的意义不是为了实现地址一致性，那它的作用是什么？

IPv6 的过渡似乎出了很大的问题，这正是我在这篇文章中想要探讨的。

一点历史背景

到 1990 年，人们就已经发现 IP 协议（互联网协议）存在问题。那时互联网规模还很小，但增长模式呈指数级，每 12 个月就会翻一番。我们当时正面临 IPv4 中的 B 类地址池即将用尽的问题，如果不采取措施，这个地址池将在 1994 年彻底枯竭（见图 3）。

当时我们还给路由系统带来了压力。1992 年部署的路由器只有足够的内存来支持 12 到 18 个月的路由增长。这种路由和地址分配的压力在当时通过 IETF（互联网工程任务组）发起的 ROAD 项目（RFC 1380）一起解决。

IETF 提出了一系列短期、中期和长期的解决方案来应对这个问题。

短期内，IETF 放弃了基于固定类的 IPv4 地址计划，转而采用可变大小的地址前缀模型。路由协议（如 BGP，边界网关协议）也迅速修改，以支持这种无类别地址前缀。

可变大小的地址前缀给地址分配过程带来了额外的负担，因此中期的解决方案是互联网社区采用了区域互联网注册机构（RIR）的架构，每个地区的组织来负责各自区域的详细地址分配和注册功能。通过这些措施，地址分配的效率大幅提高，资源分配也变得更加精准。这使得更加保守的地址分配策略得以实施，提升了地址利用效率。此外，网络地址转换（NAT）技术的概念在互联网服务提供商（ISP）中也逐渐流行。NAT 不仅简化了 ISP 的地址管理，还在减少整体地址消耗压力方面起到了重要作用。

这些措施的实施把本来两年内就会爆发的危机推迟到了更容易管理的十年时间内。然而，这些措施并没有被认为是长久之计。当时的观点是，真正有效的长期解决方案需要扩展 IPv4 中 32 位的地址字段。当时计算机领域正在从大型机向笔记本过渡，未来设备体积进一步缩小并嵌入式设备大量部署的趋势已经显而易见。而 40 亿个 IPv4 地址空间远不足以应对接下来计算机世界可能出现的情况。

然而，设计一个拥有更大地址空间的新网络协议，并不可能与现有的 IPv4 系统向后兼容。因此，关于如何解决这个问题，有几种不同的思路。一种方法是完全转向使用 OSI 协议栈中的无连接传输模式，采用 OSI 的 NSAP 地址。另一种方法是尽可能少地修改 IP 协议，只改变地址字段的大小。还有一些建议提出对 IP 模型进行重大修改。

到 1994 年，IETF 最终决定采用最小修改的方法，这就是 IPv6。IPv6 将地址字段扩展到 128 位，增加了一个流 ID 字段，改变了分片的行为，并将其推入了可选头部，替换了 ARP（地址解析协议），改用组播方式。

最终，IPv6 并没有提供 IPv4 没有的任何新功能。它也没有对 IP 的操作方式进行任何重大改动。它只是 IP 协议，但地址空间更大。

过渡

虽然当时 IPv6 的设计引起了很多关注，但对于网络从 IPv4 向 IPv6 的过渡问题，却没有引起同样的重视。

当时有一种天真的想法，认为既然 IPv4 被广泛采用，IPv6 也会自然而然地流行起来，因此不需要过多考虑过渡过程。最初的设想是，网络、设备和应用程序将同时支持 IPv4 和 IPv6，形成“双栈”（dual stack）环境，然后逐步淘汰 IPv4 的支持。

然而，这个计划中出现了很多问题，最严重的可能是资源分配问题。互联网当时发展非常迅速，大家大部分精力都花在应对日益增长的需求上。更多的用户、更大的容量、更强的服务器、更多的内容和服务、更快的响应、更好的安全性和防御——这些都与一个共同的主题相关：规模化。我们要么集中资源满足规模化的需求，要么致力于部署 IPv6。之前采取的短期和中期措施已经缓解了地址枯竭的紧迫性，所以在优先级上，扩展互联网的规模比 IPv6 过渡更重要。在 1995 年到 2005 年这十年间，IPv6 几乎被业界忽视了。IPv4 地址仍然可用，而无类别域间路由（CIDR）的采用以及更为保守的地址分配策略将 IPv4 地址耗尽的预期推迟了几十年。当时有更多紧迫的操作和政策问题需要行业关注。

然而，这只是暂时的喘息。到 2000 年代中期，随着 iPhone 等智能设备的推出，规模化问题以全新的方式加速。突然间，这不仅仅是数千万或数亿家庭和企业的问题，而是转变为数十亿个人及其设备的规模化挑战，同时还加入了“移动性”的因素。智能设备的生产规模迅速攀升，每年的出货量达到数亿台。这正是 IPv6 被视为必要的原因，但此时我们并没有做好部署 IPv6 的准备。相反，我们加速消耗剩余的 IPv4 地址，并用 IPv4 支持了首批大规模移动服务。当时在移动领域，“双栈”甚至都不是一个可行的选择。由于 3G 基础设施的经济限制，在 3G 平台上部署双栈是不现实的，因此首批移动服务主要依赖 IPv4 和网络地址转换（NAT）。

与此同时，互联网的去中心化特性阻碍了 IPv6 的过渡。如果没有主机支持 IPv6，开发支持 IPv6 的应用程序又有何意义？如果没有互联网服务提供商（ISP）提供 IPv6 支持，主机添加 IPv6 功能又有何用？如果没有主机和应用程序支持 IPv6，ISP 又为何要部署 IPv6？因此，在 IPv6 的过渡过程中，什么也没发生。

打破这种互相依赖僵局的最早尝试来自操作系统开发者，他们将全功能的 IPv6 网络栈集成到不同版本的 Linux、Windows 和 Mac OS 中，iOS 和 Android 的移动网络栈也加入了 IPv6 支持。

然而，即使这样，也不足以推动 IPv6 过渡进入关键阶段。有人认为，这种情况甚至使 IPv6 的过渡更加困难，延缓了数年。问题在于，支持 IPv6 的主机开始希望使用 IPv6，但这些主机就像“IPv6 孤岛”，孤立在 IPv4的“海洋”中。于是，过渡的重点转向了通过 IPv4 网络隧道传输 IPv6 数据包（如图 4 所示）。虽然当你在控制隧道两端时可以手动进行隧道操作，但这种方法并不实用。我们真正需要的是一种自动的隧道机制，能够处理所有这些细节。

IPv6 过渡最早受到关注的一种方法叫做“6to4”。6to4 的问题之一是它需要使用公开的 IPv4 地址，这意味着它不能为通过 NAT（网络地址转换）设备连接到网络的 IPv6 主机提供服务。更糟糕的是，防火墙通常不知道如何处理这些 6to4 数据包，出于安全考虑，默认会拒绝这些连接。因此，6to4 连接在公共互联网上的失败率达到了 20% 到 30%，这让它几乎无法作为一种可靠的主流服务使用。

此外，为了让设备在 NAT 后面还能连接到外部网络，人们开发了另一种自动隧道机制叫 Teredo，它可以检测并穿透 NAT。然而，Teredo 的连接失败率更高，达到了大约 40%。

这些早期的 IPv6 过渡工具表现非常差，极其不可靠。即使它们能工作，连接也很不稳定，速度也比 IPv4 慢。结果可以预见，尽管有些不公平，这些过渡机制不仅被认为不好，就连 IPv6 本身也因此受到了负面评价。

一直到 2011 年左右，IPv6 在公共互联网上基本上被忽视了。尽管有少数服务提供商尝试部署 IPv6，但他们面临着各种各样的挑战，需要自己和供应商共同努力来解决。而且，由于 IPv6 上缺乏内容和服务，过渡的价值显得十分有限。因此，几乎没有实质性的进展。

终于有了进展！

2011 年初，负责管理全球 IPv4 地址池的 IANA（互联网号码分配局）耗尽了中央 IPv4 地址池，亚太地区的互联网注册机构 APNIC 也在当年 4 月用尽了其通用地址分配池。直到这时，ISP 行业才开始更加专注于IPv6的过渡。

与此同时，移动通信行业开始向 4G 服务过渡。3G 和 4G 之间的一个重要区别是，4G 移除了从网关到设备的无线接入网络中的 PPP 隧道，取而代之的是 IP 环境。这使得 4G 移动运营商可以在没有额外成本的情况下支持双栈（即同时支持 IPv4 和 IPv6），这极大地促进了 IPv6 的推广。与使用 NAT 将 IPv4 映射到 IPv6 或反过来相比，双栈原生支持更加稳定和高效。

从 2012 年到 2018 年初，IPv6 的部署水平从 0.5% 上升到了 17.4%。此时，许多网络已经开始支持原生 IPv6，而不再依赖隧道机制。

问题在于，我们在这个过渡阶段行动得太晚。原本的目标是要在 IPv4 地址耗尽之前，让每个网络和主机都具备 IPv6 支持。

然而，到 2012 年，我们面临了一个更具挑战性的局面。IPv4 地址池迅速枯竭，各个区域的地址政策社区采取了非常保守的分配策略，以尽量节省剩余的地址资源。同时，IPv6 的采用率仍然很低，IPv6 的过渡计划几乎已经破裂。