IPv4协议和NAT的由来,IPv6地址一统天下的“搅局者”

今天无数的人享受着互联网带来的便捷。每天早上起床第一件事情,就是看下微信有没有新的消息,今天有没有重大的新闻,今天的天气怎样。足不出户就能获取到最新的资讯。但是,互联网给亿万用户带来便利的同时,自身也面临一个致命的危机:构建这个互联网大厦的基础协议IPv4协议的地址已经快用尽了。

为什么快要用尽了呢?为了找到这个答案,我们需要简单回顾下IPv4协议。

IPv4定义一个跨越异种网络互连的超级网,它为每个网际网的节点分配全球唯一IP地址。如果我们把互联网比作一个邮政系统,那么IP地址的作用就等同于包含城市、街区、门牌编号在内的完整地址。我们知道IPv4使用32bits整数表达一个地址,地址最大范围就是2^32 约为43亿。以IP创始时期可被联网的设备来看,这样的一个空间已经很大,很难被短时间用完。当时的设计者们也没有想到会在这么短的时间内用完。然而,事实远远超出人们的设想,计算机网络在此后的几十年里迅速壮大,网络终端数量呈爆炸性增长。还有一点更糟糕的是,43亿的地址空间被按照不同前缀长度划分为A,B,C,D类地址网络和保留地址。我们看下图:

IPv4网络地址划分

在刚开始的时候,向超大型企业/组织分配A类网络地址,一次给一个段(奢侈)。向中型企业或者教育机构分配B类地址,一次也给一个段。这样分配被浪费的太严重了。被分出的地址,都没有被真正的使用到。

以至于二十世纪90年代初的时候,网络专家们意识到,这样大手大脚挥霍地址,IPv4地址很快就要被耗光了。于是,人们开始考虑解决方案。方案分为两个方向:1,IPv4的替代方案;2,采取一系列的措施来减缓IPv4地址的消耗。这两个方向都有了结果。一个是采用IPv6地址,另一个方案是采用NAT技术。

NAT是一项神奇的技术,说它神奇在于它的出现几乎使IPv4起死回生。这也就是我标题中的“搅局者”了。在IPv4已经被认为行将结束历史使命之后近20年时间里,人们几乎忘了IPv4的地址空间即将耗尽这样一个事实——在新技术日新月异的时代,20年可算一段漫长的历史。更不用说,在NAT产生以后,网络终端的数量呈加速上升趋势,对IP地址的需求剧烈增加。此足见NAT技术是多么的伟大,这样的称赞,绝对称得上。

说它神奇,更因为NAT给IP网络模型带来了深远影响,其身影遍布网络每个角落。根据一份最近的研究报告,70%的P2P用户位于NAT网关以内。因为P2P主要运行在终端用户的个人电脑之上,这个数字意味着大多数PC通过NAT网关连接到Internet。如果加上2G和3G方式联网的智能手机等移动终端,在NAT网关之后的用户远远超过这个比例。

然而当我们求本溯源时却发现一个很奇怪的事实:NAT这一意义重大的技术,竟然没有公认的发明者。NAT第一个版本的RFC作者,只是整理归纳了已被广泛采用的技术。

那NAT到底是是什么呢?我们看名字翻译下 net address translate,网络地址转换。

NAT名字很准确,网络地址转换,就是替换IP报文头部的地址信息。NAT通常部署在一个组织的网络出口位置,通过将内部网络IP地址替换为出口的IP地址提供公网可达性和上层协议的连接能力。

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