IPv6，以及通往更大網際網路的漫長道路

為什麼四十億從來就不夠用

回想這個段落前面講過的：一個 IPv4 位址寬 32 位元。聽起來很大方，直到你算一下：32 位元最多只能命名 2^32 個不同的位址，也就是大約 43 億個。在 1970 年代，當網際網路協定是為了幾百台研究機器而設計時，43 億感覺荒謬地、幾乎是難為情地多。沒有人想得到，有一天手機會比人還多，再加上筆電、相機、門鈴、汽車和燈泡，全都想要一個位址。

而且情況比這個原始數字暗示的還糟，因為位址是一整塊一整塊發出去的，不是一個一個發。如同你在 CIDR 看到的，一個機構拿到的是一整段前綴，例如一個 /16 或 /24，而每一塊裡有很多位址都閒置著——被保留、被預留給未來成長，或乾脆就被困在那裡用不到。所以實際能用的數量一直都遠少於 43 億。到了 2010 年代初，負責發放位址塊的各區域註冊機構開始一個洲接著一個洲地見底，再也沒有東西可發了。

上一篇講了那個讓一切繼續運轉的權宜之計：NAT，讓整個家庭與公司共用一個公開位址。NAT 爭取到一兩個十年，但它是補丁、不是解藥——它打破了「任何機器都能定址任何其他機器」這個乾淨的想法，並讓從點對點應用到在家架伺服器的一切都變得麻煩。誠實的修法，正是工程師在 1990 年代中期動手做的那一個：設計一個後繼協定，它的位址空間大到我們永遠不會再進行這場對話。那個後繼者就是 IPv6。

128 位元：一個你其實無法想像的數字

IPv6 最醒目的改變，是對位址動用蠻力：把位址從 32 位元加寬到 128 位元。這不是大四倍；每多一個位元數量就翻倍，所以 128 位元給出 2^128 個位址，大約是 3.4 後面接 38 個零。常見的比喻是：IPv6 位址多到可以給地球上每一粒沙子一個，還幾乎全部都用不完。逼出 NAT 的那場短缺，就此不再是問題——地球上每一台裝置都可以重新擁有一個真實、全球唯一的位址。

因為把一個 128 位元的數字寫成點分十進位會毫無希望，IPv6 位址改寫成八組、每組四個十六進位數字，用冒號分隔。為了好讀，一組裡開頭的零可以省略，而連續一整串全為零的組可以縮成一個雙冒號。於是長形式 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 縮成親切的 2001:db8::1。一個位址裡雙冒號只能出現一次，否則你就無法判斷它代表了多少組零。

IPv4 address   32 bits   ->  192.168.1.10            ~ 4.3 x 10^9 addresses (2^32)
IPv6 address  128 bits   ->  2001:db8::1             ~ 3.4 x 10^38 addresses (2^128)

Writing an IPv6 address, step by step:
  full     2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001
  drop leading zeros in each group   2001:db8:0:0:0:0:0:1
  collapse ONE run of zero groups    2001:db8::1

A prefix still uses CIDR slash notation:  2001:db8::/32  (first 32 bits = network)

你在 IPv4 學到的那套斜線前綴想法，原封不動地搬到 IPv6——只是位址變寬了，寫法換成十六進位，外加一個能折疊零的雙冒號。

不只是更大：一個更乾淨、更精簡的封包

設計者沒有止步於更寬的位址；他們趁機把 IP 資料包的標頭本身也整理了一番。IPv4 標頭長出了一叢欄位，很多很少用到，加上一個可變長度，逼路由器得小心翼翼地解析。IPv6 標頭固定為 40 位元組，帶的欄位少得多。那些瑣碎的東西——分段控制、選項——被搬出主標頭，移進可選的「延伸標頭」，只在需要時才串接上去，於是常見情況就是一個簡單、可預測、路由器能快速處理的標頭。

有一個改變重要到值得特別點出。回想前面講的 IP 分段：當一個資料包對某條連結的 MTU 來說太大時，IPv4 允許中途的某個路由器把它剁成幾片。IPv6 則完全禁止路由器分段——若一個封包對下一條連結來說太大，路由器就丟棄它，並回送一則 ICMP 訊息說明，原始發送端必須自己學到正確的大小、改送較小的封包。這叫做「路徑 MTU 探索」，它把吃力的工作留在那個資料包誕生的端點上，讓路由器除了轉送以外什麼都不必做。

難的地方：你沒辦法一鍵切換

這裡有個讓它成為漫長道路、而非快速升級的關鍵：IPv6 與 IPv4 不向後相容。一台純 IPv6 主機與一台純 IPv4 主機，根本無法理解彼此的封包——標頭的形狀不同，位址的大小也不同。沒有一個中央開關可以關掉舊的網際網路、打開新的。在已有數十億台裝置、路由器與伺服器在說 IPv4 的情況下，唯一務實的路徑是一段漸進、長達數十年的共存。那段共存，就是 IPv6 轉換的整個故事。

雙堆疊（dual stack）：主力作法。一台裝置同時跑 IPv4 與 IPv6，兩種位址都有。當它想連到另一台機器時，它去問 DNS，DNS 可以回傳一個 IPv6 位址、一個 IPv4 位址、或兩者都回；裝置若有可用路徑就偏好 IPv6，沒有就悄悄退回 IPv4。
通道化（tunnelling）：當兩座 IPv6 島嶼被一片純 IPv4 的海洋隔開時，你把每個 IPv6 封包包進一個 IPv4 封包裡載著它過海，到對岸再拆開。這就是基礎段落講過的封裝想法，用來把新協定偷渡穿過舊網路。
轉譯（translation）：中途的一個閘道實際把封包從一種協定改寫成另一種，於是一個純 IPv6 的用戶端仍能連到一台純 IPv4 的伺服器。它很強大，但有損且複雜，很像 NAT，用在無法雙堆疊的場合。
隨著歲月推移，天平逐漸傾斜：越來越多網路開啟 IPv6，雙堆疊成為常態，而 IPv4 那一側被倚賴得越來越少，直到某一天它終於可以退役。我們在這場轉換中已走得很深，但尚未走完。

為什麼花了這麼久，以及它對路由器意味著什麼

如果 IPv6 明顯更好，為什麼規範出來二十五年多了，我們還在轉換途中？因為付錢部署它的人，不是受益的人。NAT 運作得夠好，對家庭使用者幾乎沒有壓力；而對一家 ISP 來說，為了一項顧客根本分不出與 IPv4 有何不同的服務去升級設備，是實實在在的成本與風險。這是經典的雞生蛋蛋生雞僵局：內容供應商等使用者先有 IPv6，網路又等值得透過它去取用的內容。最後是 IPv4 耗盡的真實痛苦，才終於推動了雙方。誠實的教訓是：更好的技術不會自己部署——是誘因與動能決定了步調。

不論一個封包穿的是哪個版本的外衣，路由器的核心工作都沒變，而那正是這個段落下一篇、也是最後一篇要打開的東西。路由器仍然從標頭裡讀出目的位址，到它的轉送表裡查找，以決定該從哪個介面把它送出去。查找用的是「最長相符前綴」——而請注意，這是一個更寬的 IPv6 位址要付出更多代價的地方，因為要比對的是 128 位元而不是 32 位元。兩者的原理完全相同；下一篇帶你進到那次查找的內部，看路由器如何在奈秒之內轉送一個封包。