IPv4位址枯竭

IPv4地址枯竭（IPv4 address exhaustion），又稱IPv4地址耗盡，為網際網路通訊協定第四版（IPv4）可使用的未核發位址完全用盡的狀況。由於IPv4地址長度僅有32位，可供全世界使用的IPv4地址僅有42億個，而當中又僅有一部分可作爲公共地址使用，因此從1980年代晚期開始，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。

IP位址的全球性管理機構為網際網路號碼分配局（IANA），其下有五個區域網際網路註冊管理機構（RIR）。由IANA管理的IPv4位址，已於2011年1月31日完全分派完畢。其他五個區域的可核發位址，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，爲首個用盡IPv4地址的地區；歐洲地區在2012年9月14日分派完畢；拉丁美洲及加勒比海地區爲2014年6月10日；北美地區爲2014年1月16日；非洲地區爲2017年4月21日。

在大塊地址塊用盡後，五個區域管理機構分別發布了最後一塊/8地址的分配政策，隨著地址耗盡的進展，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。IANA也在想盡辦法在全球五個區域之間靈活調配剩餘可用的較小的零碎的地址塊給IPv4續命。然而，北美地區在2015年9月24日，歐洲地區在2019年11月25日，最終還是將所有可用的IPv4地址完全用盡了，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。其餘三個區域的剩餘地址預計到2020年底也將陸續完全用盡。

在理論上，IPv4最多可以提供232=42億9496萬7296個IP位址，IANA及RIR可以用來核發的位址，各有1677萬7216個。在1991年11月，網際網路工程任務組為了緩解這個問題的發生，首先設立了ROAD組織（Routing and Addressing Group）。1993年，推出了網路地址轉換（NAT）與無類別域間路由（CIDR）兩個方案。但是這些過渡方案不但皆無法阻止位址枯竭問題的發生，只能減緩它的發生速度，還存在不少譬如打破端到端原則的弊端。因此，轉換到IPv6仍然是該枯竭問題的最終解決方案。

## 地址枯竭原因

### 行動裝置

隨著IP協議日益成為網路數字通信的事實標準，以及手機等行動裝置的處理性能大幅上升，這些行動裝置逐漸具備了連接網際網路的能力，也因此需要被分配IP位址。4G設備的新規範中要求這類設備支持IPv6地址。

### 始終在線的連接

自2007年起，隨著寬頻網際網路的加速推廣，寬頻在許多市場的滲透率已開始超過50%。相較於撥號上網，這些寬頻連接往往始終處於活動狀態，並且這些網關設備（如路由器、寬頻數據機）長時間不關機運行，使得運營商無法從客戶手中回收IPv4地址，也導致了運營商對IPv4地址的需求持續加速。

### 網際網路人口大量增加

1990年，有能力使用網際網路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網際網路的能力，而發展中國家與地區如中國、印度，以及東南亞也開始布局網際網路產業。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年代許多大公司和大學被分配了A類地址塊，每個A類地址塊包含了超過1600萬個IPv4地址，因為下一個分配單元，即包含65,536個地址的B類地址塊，對於其預期的部署過小。許多在早期獲得過多地址的組織或機構，繼續將這些公共IP位址用於無法在被外部網絡訪問的設備，占據了可供公共網路使用的IP位址空間。

最早期採用網際網路技術的國家獲分配了大量IP位址，首5個國家如下：

國家｜IP位址數量｜佔分配的IP位址｜佔IPv4空間

美國｜1,606,805,152｜45.58%｜37.41%

歷史性/繼承｜607,765,728｜16.48%｜14.15%

中國｜342,950,400｜9.30%｜7.98%

日本｜18,8675,904｜5.12%｜4.39%

英國｜139,735,296｜3.79%｜3.25%

德國｜126,317,376｜3.43%｜2.94%

## 緩解方案

雖然IPv6為IPv4地址枯竭的實際解決方案，但是許多網際網路服務提供商和軟體供應商仍處於開始部署IPv6的階段，因此各種緩解地址枯竭的方案陸續被各方提出：

- 網路地址轉換（NAT）允許了同一個網路中的多台主機共享同一個IPv4公網地址，而網路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路無需使用公網地址。
- 虛擬伺服器得到推廣，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。
- 區域網際網路註冊管理機構（RIR）對本地網際網路註冊管理機構（LIR）的地址分配進行更嚴格的控制，避免地址的浪費。
- 對原有的網路重新進行編號和子網劃分，以回收一些在網際網路早期分類網絡時代被分配的大塊地址空間，這些空間普遍利用效率不高。

## 枯竭進度表

### 網際網路號碼分配局IPv4地址枯竭

第一層是全球級的，IANA級別的枯竭。2011年1月31日，最後兩個未核發的IANA地址塊以標準分配程序分配給了亞太區域的網際網路註冊管理機構APNIC。此後，IANA 僅剩下5個/8大小的預留地址塊，而這些地址塊也隨後在2011年2月3日的一個儀式上被平均分派給每個區域的網際網路註冊管理機構。自此，IANA徹底耗盡其所擁有的所有地址。

枯竭日期

IANA｜2011年1月31日

### 區域網際網路註冊管理機構IPv4地址枯竭

第二層是區域級的，即RIR級別的枯竭。這層枯竭發生後，位於該區域管理的大洲的運營商無法再免費獲得新的IPv4地址塊。一般這層枯竭全部發生後的情況視為全球IPv4地址正式完全枯竭。

2011年4月15日，APNIC 成為第一個徹底耗盡 IPv4 地址的區域性網際網路註冊機構。自此，並非所有需要IPv4地址的人士或機構都將可以申請獲得一個IPv4地址，有一部分終端會因電信級NAT等技術的使用，導致其被迫與他人共享同一個IPv4地址。此外，由於地址已經耗盡，在網際網路完全過渡至IPv6協議之前，需要端到端連接的特定應用程式將無法在網際網路上被普遍使用。然而，由於IPv6主機不能直接與IPv4主機通信，這意味著在這個過渡期間，除了新的IPv6地址之外，每個連接至網際網路的主機仍必須具有IPv4訪問能力，這導致運營商方面需要推行NAT64等技術以確保使用者體驗不受影響，這也使得推廣難度大大增加。

自各大RIR的IPv4地址枯竭以來，有跡象表明IPv6部署的進度得到了極大的推動。截止2023年，部分國家如越南、馬來西亞、印度、德國、法國已經有超過一半網際網路使用者支持使用IPv6協議。

APNIC作為負責網際網路擴張速度最快的亞太地區的RIR，因為其地址池已於2011年4月14日達到了僅剩一個 /8 塊的臨界水平，是第一個將每個成員的地址分配限制在1024個地址的RIR，並且這些地址的使用被嚴格規範，僅能用來協助ISP過渡到IPv6（例如用來運營電信級NAT）。

RIR｜第一階段枯竭日期｜第二階段枯竭日期｜IPv4地址庫規模（/24）

亞太網際網路資訊中心（APNIC）｜2011年4月15日｜預計2030年底｜12,502

歐洲IP資源網路協調中心（RIPE NCC）｜2012年9月14日｜2019年11月25日｜-896

美洲網際網路號碼註冊機構（ARIN）｜2014年1月16日｜2015年9月24日｜-2,385

拉丁美洲和加勒比地區網際網路資訊中心（LACNIC）｜2014年6月10日｜2020年8月21日｜-5,517

非洲網際網路資訊中心（AfriNIC）｜2017年4月21日｜預計2029年底｜3,286

### 國家網際網路註冊管理機構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個國家網路中心。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｜中國網際網路資訊中心（CNNIC）｜TBD

台灣網路資訊中心（TWNIC）｜TBD

日本網際網路資訊中心｜TBD

韓國網際網路振興院（KISA）｜TBD

越南網際網路中心｜TBD

印度網際網路名稱與號碼註冊機構｜TBD

印尼網際網路運營商組織｜TBD

LACNIC｜.BR資訊與協調中心｜TBD

墨西哥網際網路資訊中心｜TBD

#### 中國大陸的IPv4地址枯竭進程

中國大陸自1994年起接入國際網際網路，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；中國大陸獲得的IPv4地址塊在滿足全國網際網路寬頻接入埠的分配的基礎上，尚能留有30%的餘量；固定網際網路方面，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為使用者分配IPv4公網地址；行動網際網路則已經開始應用電信級NAT，但由於行動網際網路尚處在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：隨著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），中國大陸的總IPv4地址數定格在3.3億；隨著3G、4G網路及寬頻入戶工程的建設以及國民生活水平的提高，網際網路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；隨著電信級NAT推廣，家庭搭建個人網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：隨著個人網站大量遷移至各種雲平台以及網際網路使用者繼續增加，用於普通使用者的公網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。同時，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《推進網際網路協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》，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。截至2020年年底，中國大陸有IPv4地址3.41億個（CNNIC持有0.62億個或18.2%）、IPv6 /32地址塊54,593個（CNNIC持有21,065個或38.6%）；對應光纖寬頻使用者4.54億戶、行動網際網路使用者9.86億人。CNNIC的IPv4地址枯竭為時尚早。

### 運營商IPv4地址枯竭

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

## 後枯竭時代的緩解方案

到了2008年，IPv4地址分配末期以及後枯竭時代的政策規劃已然進行。數項推遲IPv4地址短缺以及緩解其效果的提案已被提出：

### 回收未使用的 IPv4 空間

在仍然使用分類網絡作為分配模型的時代，許多機構或組織被分配給予了大小可觀的IP位址塊。如今的網際網路已轉型使用無類別域間路由（CIDR），而網際網路號碼分配局（IANA）可能會回收這些IP範圍並以較小的地址塊將這些地址重新分配給其他機構。ARIN、RIPE NCC 和 APNIC 也制定了地址轉移策略，以便將這些地址收回，並且將其重新分配。然而，由於對大型網路進行重新編號需要大量的人力和時間成本，因此這類回收行為很有可能會受到相關組織或機構的反對，並且產生法律衝突。值得一提的是，即使這些地址都被回收了，也只能推遲地址枯竭的時間，無法徹底解決該問題。

一些組織和機構已自願回收並歸還大量IP位址。較為知名的例子有史丹福大學，其在2000年放棄了一塊A類IP位址塊，從而釋放了1600萬個IP位址供公共網際網路使用。其它這麼做的機構有BBN科技公司以及Interop組織。

### 二手市場

建立買賣IPv4地址的市場被認為是解決IPv4稀缺問題的一種手段，其允許人們以買賣的形式重新分配IPv4地址。IPv4地址市場的主要好處是它允許買家保持本地網路功能不受干擾，而無需將精力投入尚未成熟的IPv6技術棧中。雖然IPv6的部署已陸續在各地展開，但目前仍處於早期階段，增加IPv6兼容性需要大量的資源投入，同時需要解決與IPv4不兼容的問題，以及一定的安全和穩定性方面的風險。儘管如此，IP位址市場的實用性和可行性仍存在著爭議：

- 創建IPv4地址市場只會在相對較短的時間內延遲 IPv4 地址空間的實際耗盡，因為公共網際網路仍處於增長期，IPv4始終會面臨地址不足的問題。
- 儘管美國國家科學基金會總法律顧問在一封信函中假定了IP位址所有權，但ARIN和RIPE NCC的政策文件以及ARIN註冊服務協議明確否認了IP位址作為財產的合法所有權的概念。基金會後來表示，該觀點並非官方觀點，美國商務部隨後也發表聲明表示「美國USG公司參與制定，並且支持網際網路技術社區通過ARIN商定的政策、流程和程序。」
- IP位址的即興交易可能會導致路由表碎片化，使得全局路由表的大小增加，從而導致路由記憶體資源不足的路由器出現問題。

IANA級別的地址枯竭後，微軟於2011年花費750萬美元從破產的北電網路買入666,624個IP位址，以滿足未來12個月的業務需求，平均成本11.25美元。有近80間公司參與了這次拍賣。這讓人們意識到，IPv4地址不再是由IANA免費分配的資源。稀缺性促成了二手市場。

2021年9月到10月期間，IPv4地址價格升至歷史高位。`/22`、`/23`和`/24`前綴以平均價格$60/IP位址成交，之後價格開始回落。

### IPv4至IPv6過渡機制

隨著可用公共IPv4地址的耗盡，一些運營商將無法向期客戶提供全球可路由的IPv4地址，而客戶可能仍然需要訪問IPv4網際網路上的服務。因此，各方已經開發了多種技術，以允許運營商利用IPv6網路基礎設施，向客戶提供連接至IPv4網際網路的服務。

在IPv4的電信級NAT中，運營商可以在其網路內實施IPv4網路地址轉換，並將其網路內的特定私有IPv4地址分配給客戶。NAT有效降低了運營商所需的IPv4地址，並有估計認為，使用NAT後的美國運營商所擁有的IP數量，是其為其現有客戶提供服務所需的5至10倍。傳統的電信級NAT方案（亦稱NAT444）好處在於解決IPv4地址不足的同時，又無需客戶更新其網關設備便能繼續享有IPv4服務，但弊端是客戶無法繼續使用那些需要公共IP位址的網際網路服務，又或者會導致使用者的私有地址與運營商使用的私有地址衝突。

為解決傳統電信級NAT的問題，NAT64、A+P、雙棧精簡版等以IPv6網路為基礎、IPv4 為服務的IPv4即服務（IPv4 as a Service）機制紛紛被提出，但這些機制仍無法解決IPv4使用者在NAT下失去端到端連接等問題。