问题的规模

IPv4 地址是 32 位，理论上约 43 亿个。考虑到地址分配的历史遗留问题（早期大量地址被分配给美国机构和大型企业），全球可分配池早已枯竭。

第一个救急方案：NAT

网络地址转换（NAT）提供了一个巧妙的缓解办法：让一整个局域网的多台设备共用一个公网 IPv4 地址。

工作方式是：内网设备使用私有地址（如 192.168.x.x、10.x.x.x、172.16–31.x.x），路由器在数据包出网时，把私有地址和端口映射成公网地址的某个端口，并记录这张映射表。回程数据包再根据映射表还原，转发给内网设备。

NAT 的价值：极大缓解了地址消耗，一个家庭或企业只需一个公网地址。

NAT 的代价：

  • 破坏了端到端连接模型。外网无法主动发起连接到内网设备（因为没有映射），这让 P2P 通信、视频通话、游戏联机等场景需要额外的打洞（hole punching）技术；
  • 路由器要维护大量连接状态；
  • 多层 NAT（运营商级 NAT，CGNAT）会让问题更复杂。

根本方案：IPv6

IPv6 使用 128 位地址，地址数量约 3.4×10³⁸ ——多到可以为地球上的每一粒沙子分配一个地址。

除了地址空间，IPv6 还做了几项改进：

  • 简化的报头：提高路由器处理效率；
  • 内置 IPsec 支持（虽然在实现中并非强制）；
  • 无状态地址自动配置（SLAAC）：设备可自行生成地址，无需 DHCP 服务器；
  • 取消了广播：改用组播和任播。

为什么 IPv6 推进这么慢

这是一个典型的协调问题：

  • 对终端用户来说，NAT 已经能用，没有迫切的升级动力；
  • 对运营商和内容提供商来说，升级需要改造基础设施，且要同时维护 IPv4 和 IPv6 两套体系（双栈）；
  • 任何一环不支持，都会拖累整体体验。

过渡技术

为了让 IPv4 和 IPv6 共存，出现了多种过渡机制：

  • 双栈（Dual Stack）：设备同时运行 IPv4 和 IPv6；
  • 隧道技术：把 IPv6 包封装在 IPv4 包里穿越 IPv4 网络；
  • NAT64 / DNS64：让纯 IPv6 网络访问 IPv4 资源。

现状

全球 IPv6 的采用率在持续上升，主要驱动力来自移动网络（移动运营商地址压力大）和大型内容平台。但全 IPv6 的那一天，仍然需要时间。

说明：本文为网络协议的公开知识整理。