此前，APNIC首席科学家杰夫·休斯顿（Geoff Huston）发文回顾了2023年全球IP地址发展情况。他分析了2023年IPv4和IPv6的部署现状，并对未来互联网的发展形势作出判断。本期将刊登第一部分，分析了2023年IPv4地址分配和转让状况。　　又到了一年一度的IP地址回顾时间。让我们看看在过去一年中互联网有哪些寻址相关的变化，以及IP地址分配信息是如何向我们揭示互联网不断变化的特性。　　早在1992年左右，互联网工程任务组（IETF）就曾在“下一代IP”研究项目中凝视“预言水晶球”，试图了解互联网将如何发展，以及将对寻址系统提出怎样的要求。我们今天所看到的联网设备的惊人数量确实落在了这项研究的预测范围之内，而且无疑将继续增长。　　人类在不断提高硅芯片的产量并持续改进生产工艺。不仅如此，我们还曾预言，要想让互联网在如此庞大的联网设备群中正常运行，唯一的办法就是部署一个地址空间更大的新IP协议。IPv6正是基于这一推理而设计的，它主要解决的就是海量硅处理器的世界所带来的问题。IPv6所包含的巨大地址空间，就是为了让我们能够为每一个这样的设备分配一个唯一的公共IPv6地址，无论这些设备有多小，也无论它们的部署规模有多大。　　然而，当互联网以惊人的速度发展时，IPv6的部署进度却相对缓慢而谨慎。目前人们对协议部署的紧迫程度没有展现出任何共识，也仍没有一致认为继续依赖IPv4会“拖后腿”。　　IPv4互联网目前的设备数量远远大于其设计时理论上能支持的用户数量，这其中明显存在矛盾，其背后的主要原因是互联网已经从“点对点”架构迅速地转变为“客户端/服务器”模式。客户端可以向服务器主动发起通信，但无法向其他客户端主动发起通信。　　网络地址转换器（NAT）非常适合这种客户端/服务器模式，在这种模式下，客户端共享一个较小的公共地址池，并且只在与远程服务器进行会话期间占用一个地址。因为有了NAT，300多亿台联网设备才能挤在约30亿个公开IPv4地址中。无法通过NAT通信的应用程序不再有用，也就不再有人使用了。　　然而，互联网设备数量的增长势不可挡，即使是NAT也无法永远承受这样的压力。NAT将有效寻址空间扩展了“额外”32比特，并实现了分时地址共享。这两项技术确实有效拉伸了IPv4地址空间以涵盖更多的客户端设备，但它们并不能将地址空间转化为有无限弹性的资源。　　这一过程如果继续发展，最终会无可避免地将IPv4互联网分割成许多互不相连的部分，每个部分的基底很可能是由各个内容分发服务节点延伸出的服务“锥筒”。这样一来，“构建于单独统一的数据包传输域之上、全球唯一且一致的地址分配池”这一整个概念将不复存在。　　或许，这些增长压力会推动IPv6的进一步部署，随着互联网试图维系其作为一个凝聚联通的整体，网络中会出现纯IPv6的成员。这两个方向上都有商业活动在发力，因此现在完全无法分辨互联网在未来几年会走什么样的道路，但我个人的观点是，网络的未来将高度分裂。　　地址分配数据能否帮助我们了解广阔的互联网正在发生什么？让我们看看2023年的情况。　　2023年IPv4地址数量分析　　到2021年底，随着各地区互联网注册管理机构（RIR）剩余的未分配地址池耗尽，旧的注册管理机构分配模式实际上已经走到尽头。尽管如此，事实表明，剩余未分配IPv4地址池的消耗过程与IPv6的过渡一样旷日持久。　　在当今的互联网中，“分配”是个难以说明的话题。目前仍有从RIR管理的可用地址空间剩余池中提取并分配或指派给网络运营商的地址分派过程，同时也有一些网络之间的地址买卖过程。这两类交易必然涉及注册信息的变更，因此注册机构以类似分配或指派的方式记录转让或出售的结果。　　如果我们想更全面地了解互联网网络运营商所使用或可用的IPv4地址数量，那么最好的衡量标准应该是已分配和已指派地址的总数，以及对应的各类地址数量的年度变化情况。　　地址的“分配”和“指派”有什么区别？网络运营商或子注册中心收到地址分配后，可以继续将IP地址空间指派给其客户，用于客户自己的内部基础设施。网络运营商获得指派的地址后，只能用于自己的内部基础设施。我个人认为这两个术语之间的区别如今有些无关紧要且令人费解，因此从现在起，我将使用“分配”一词来统一代指分配和指派。　　2023年，IPv4已分配地址池的总地址数有史以来第一次缩减，约减少了40万个地址，变为年底的36.85亿个。这意味着已分配的IPv4公共地址池总量缩减了约0.01%（表1）。表1 按年份分列的IPv4已分配地址数量　　我们是否已用尽IPv4地址的所有可用来源？现有地址管理的模式是：未分配的地址由互联网号码分配机构（IANA）保存在一个单一的地址池中，地址块分配给区域互联网注册管理机构，后者再将地址分配给不同的终端实体，供其使用或进一步分配。但是，IANA早在几年前就已经用完了最后一个可用地址池，目前只拥有三个/24地址前缀。由于将这个小地址池分成5个相等的153.6个地址块的方案不可行，这些地址很可能会在IANA的回收地址注册表中继续待上一段时间。　　或者说，直到一个或多个区域互联网注册管理机构将更多曾经从旧“遗留”地址池中分配出的前缀归还给IANA，那时IANA就可以将地址池平均分配给五个区域互联网注册管理机构。这种情况不太可能发生。　　IANA将一部分地址标记为保留地址，包括用于组播的地址段。而在IPv4地址段注册表的最顶端，有一组地址被不恰当地标记为“保留供未来使用”。这是一个由268,435,456个地址组成的相对较大的地址池（以前的“E类”空间），如果说IPv4还有“未来”的话，那么这个“未来”早就已经切切实实地成为过去了。但是，如何释放这些空间并将其归还给通用地址池，这个问题迄今为止还没有找到一个普遍可行的解决方案，尽管业界时不时会有人试图解决它。　　在过去15年左右的时间里，关于将E类空间作为全局可路由单播地址空间在公共互联网中释放使用的话题不时被提出。一些互联网草案已经发布，处于供IETF审议的状态，其中有的直接建议释放该空间，有的概述了2008年制定这些草案时观察到的各种主机和路由器实践对这些提案的阻碍。这些建议之所以被搁置，可能是因为当时考虑到解决这些问题的可用时间和资源有限，而且费力“调整”这些IPv4空间使之能被公开使用，只能略微延长剩余IPv4地址池的预计耗尽时间，而将同样的努力用于推进IPv6部署则会产生更大的效益。这个话题时不时会在不同的邮件列表中再次出现，但往往会再次激发对同一组话题的辩论，然后就偃旗息鼓了。　　由于IANA不再是地址的来源，因此我们只需要研究RIR的做法，从注册机构的角度了解地址的生命周期。当IP地址段根据RIR的政策返回或被回收时，通常会在RIR所有的地址池中放置一段时间，并标记为保留。将返回或回收的地址保留一段时间后再进行后续分配，能够给各种地址前缀声誉和其他服务（包括路由记录）一些时间，来记录这段前缀已经从之前的状态变为停止使用。经过几个月到几年不等的隔离期后，这些保留地址段会被释放以供重新使用。　　表2显示了和表1相同的14年间，每个RIR分配地址的年度同比变化。在某些年份，某些RIR的已分配地址池规模有所缩小，通常是由于地址在RIR之间的转移，有时是由于行政变动，有时是由于RIR自发进行地址转让。表2 已分配IPv4地址的年度变化（百万），按RIR区分　　每个RIR都在使用它们最后的IPv4地址池了。到2023年底，所有RIR的可用地址池加起来约有360万个地址，主要由APNIC（亚太互联网络信息中心，约250万）和AFRINIC（非洲互联网络信息中心，约120万）持有。约有1250万个地址被标记为保留地址，其中ARIN（北美互联网注册中心）拥有约520万个地址，AFRINIC拥有约400万个地址。从表3中可以看出，ARIN的保留池（98K）和RIPE NCC（欧洲网络协调中心）的保留池（26K）略有净减少，而APNIC的保留池增加了68.7万个地址，LACNIC（拉丁美洲和加勒比海地区互联网络信息中心）和AFRINIC的保留池有小幅增长。表3 可用和保留的IPv4池大小，截至2023年12月　　图1显示了按年份分列的RIR IPv4地址分配数量，但要准确比较各RIR的分配情况却很困难，因为各RIR之间存在一些微妙但重要的差异，特别是在IPv4地址转让的处理上。图1 各RIR的IPv4被分配地址总数（百万），按年份分列　　就ARIN而言，ARIN服务的两个实体之间的转让在概念上被视为两项不同的交易——将地址退还给ARIN注册机构，以及从ARIN进行新的分配，转让的日期记录为RIR的新分配的日期。其他RIR将地址转让看作更改已分配地址的指定持有者，在处理转让时，RIR保留了这些地址的原始分配日期。当我们查看RIR公布的各个交易记录数据并按年份统计时，ARIN的记录额外包含了当年处理的地址转让量，而其他RIR的记录只包括当年进行的分配。　　为了提供整体视角，我们分析时必须要能区分RIR记录地址交易方式的差异。在本研究中，我们定义“分配”为注册记录中从“保留”或“可用”状态到“已分配”状态的转换。这是为了能区分处理地址转让的各种操作，因为地址转让一般不涉及明显的状态变化，被转让的地址块在整个转让过程中仍处于“已分配”状态。分析RIR公布的数据，比较每年年底的地址池状态与该年年初的状态，就得到了图1的数据。如果一段地址在年初未登记为“已分配”，年底却变为“已分配”，则可确定分配是在该年内发生。　　图2显示了按年份分列的RIR IPv4分配次数，这些数据也是通过使用与图1相同的数据分析技术生成的。图2 各RIR的IPv4分配次数，按年份分列　　从这两张图可以明显看出，近年来IPv4地址分配的平均规模已大幅缩减，与每个RIR的各种P4地址耗尽政策相呼应。　　IPv4地址转让分析　　近年来，RIR允许登记地址持有者之间的IPv4地址转让，以在向RIR退回闲置地址的方式之外，开放另一种地址的再分配方式。这是为了应对IPv4地址枯竭带来的各种问题，其根本动机是通过IPv4地址的市场激励，促进对原本闲置或低效使用的地址块的再利用，并确保这种转让在注册系统中有公开记录。　　表4列出了过去12年中登记的转让数量既包括RIR间的转让，也包括RIR内的转让，还包括基于合并和收购以及其他理由的地址转让。每次转让都被视为一次单独交易，如果是RIR之间的转让，则计入接收RIR的转让总数。表4 每年的IPv4地址转让次数　　不同RIR报告的数字之间的差异很有意思。在AFRINIC和LACNIC服务区域，地址持有者似乎并没有明显接纳与地址转让相关的政策，而在RIPENCC服务区域，采用这些政策的热情似乎很高。　　从每年转让的地址数量来看，情况略有不同（表5）。表5 每年转让的IPv4地址数量（百万）　　图3和图4显示了这些数字的分布情况。图3 IPv4地址转让次数，2012-2023图4 IPv4地址转让数量，2012-2023　　地址转让量在2022年达到峰值，2023年有所下降。就APNIC而言，峰值出现在2020年，而APNIC2023年的转让量与2012年的转让量相当。如果地址转让的目的是地址分配后的再分配，那么2023年内，对这一功能的需求似乎正在减弱。　　地址转让真的在回收闲置地址吗？　　这些数据提出了一些有关转让性质的问题。第一个问题是，地址转让是否有效地打捞了已分配但未公开的公共IPv4地址段，并将这些地址重新投入使用。　　人们认为，如果能够从这些闲置地址的转让中牟利，就可能促使它们的持有者将自己的网络转换为使用私有地址，再转售持有的公共地址。换句话说，地址市场的开放将促使原本无收益的地址资产进入市场。有地址需求的网络供应商将与其他有类似需求的供应商竞争，竞价购买这些地址。按照传统的市场理论，最有效率（指使用地址产生最大收益的能力）的地址用户将能够确定市场价格。反之，这些闲置的地址就会投入生产使用。只要供不应求，市场行为就会促进地址的最有效利用。至少理论如此。　　然而，地址转让的实际过程并不像理论分析那样明晰。与地址回收有关的数据并不确定，2011～2017年末，未宣告（已分配但没有公布到互联网路由表）的地址量在38至40个/8之间。从2018年开始，这个未公开的地址库有所上升，到2020年初，在公共互联网上未公开的/8地址略低于50个。未公开地址池为期两年的增长应该对应IPv4地址的囤积时期。不过，仅从这个顶层聚类得到的日期就得出这样的结论，有很多推测的成分，结论很可能不合理。　　2021年初，这个未公开的地址池规模大幅缩减。2021年的主要变化是互联网路由系统把ARPANET（阿帕网）早期分配给美国国防部的地址空间中的约7个/8重新宣告了出来。到2021年底，AS749宣告的IPv4地址比其他任何网络都多，达到211,581,184个，相当于/4.34的前缀长度，占IPv4地址池总数的5%。　　在2022年和2023年期间，未宣告地址段的数量恢复了之前的上升趋势（图5）。图5 IPv4未宣告的地址数量　　图6-1显示了2000年以来三种IPv4地址池——已分配、已宣告和未宣告地址池的总体变化。收紧的地址政策开始实施的时间能与2011年初IANA中央未分配地址池耗尽的情况相对应。图6-1 IPv4地址池大小，2000-2024　　我们还可以看看2023年，这些地址池自年初以来的变化情况，如图6-2所示。已宣告地址的总数在这一年中减少了约2200万个地址。RIR的记录也显示了全年净减少23.6万个已分配地址。全年未宣告地址池增加了2100万个地址。图6-2 IPv4地址池大小在2023年内的变化　　相对而言，未宣告的地址数量占已分配地址池总量的比例从2011年的25%降至2016年初的22%，随后在2020年底升至24%。2021年，这一数字下降到16%，主要原因是美国国防部遗留地址空间的宣告，而不是激活了其他从前未宣告的地址空间。由此可以得出结论：在过去12个月中，地址转让活动并未对地址利用效率的总体情况产生任何积极的净变化（图7）。图7 未宣告地址在整体已分配地址池中的占比　　该数据还显示出，转让市场有些疲软。大多数RIR的地址转让交易次数在上升，但地址转让总量却在下降。地址市场似乎未能有效带出闲置地址并将它们重新部署到路由网络中。　　不过，与所有其他商品市场一样，商品的市场价格反映了供需平衡以及对未来供需的预期。从过去八年的IPv4地址交易价格中又可以看出什么呢？　　地址中间商Hilco Streambank公布了交易的历史价格信息（如果所有中间商都这样做就好了，因为交易价格信息公开的市场比价格信息闭塞的市场运行得更有效、更公平）。图8使用Hilco Streambank交易数据生成了地址价格的时序图。图8 IPv4地址价格时序（数据来自Hilco Streambank）　　这些数据显示了几种截然不同的行为模式。2016年之前的初始数据显示当时的交易量相对较低且价格稳定，略低于每个地址10美元。在随后的4年里，直到2019年初，价格翻了一番，其中小地址段（/24和/23）吸引了最高溢价。在接下来的18个月里，价格稳定在每个地址20美元到25美元之间，大地址段和小地址段的交易单价相近。　　截至2022年初的18个月，价格呈指数上升，出现了新的动态。到2021年底，价格上升到每个地址45美元到60美元之间。2022年，全年平均市场价格下降，但价格差异增大，年底的交易价格在每个地址40美元到60美元之间。这种价格下降的趋势持续到2023年，到2023年底，IPv4地址的交易单价在30美元到40美元之间。对于这样一个无差别的商品市场来说，地址之间的价值没有任何区别，这种30%的价格变化超乎意料，有些不寻常。　　如果价格能反映供求关系，那么需求的增幅似乎远远大于供应，2021年的价格上涨反映了近来地址稀缺造成的溢价（图8）。　　可交易IPv4地址的供应量是否在下降？要回答这个问题，可以通过观察已转让地址的注册年限来了解一些情况。这些地址主要是最近分配的地址，还是持有时间较长的地址，持有者希望实现未使用资产的内在价值？最根本的问题与转让地址的年龄分布有关，这个年龄对应了地址首次由RIR系统分配或指派之后的时间。　　图9和图10逐年显示了转让地址的累积年龄分布。如图9（每个地址单独计数）所示，在2023年的所有转让地址中，约15%来自遗留地址的持有者。由此看来，回收遗留地址池的努力已接近尾声，转让的遗留地址数量已急剧下降。图9 转让地址的年龄分布（按地址数目）　　在2019～2021年期间，有一部分地址持有者在获取最近分配的地址之后，似乎会先按政策要求在两年的最短期限内保留这些地址，然后将这些地址在市场上转让。前几年，有8%的被转让地址是在转让前5年内分配的。2022年，这一数字下降到4%，这可能是因为2022年地址分配数量较少，地址持有者的行为模式应该没有变化。到了2023年，这一现象几乎消失，原因是RIR分配的地址数量非常少，同样也不是因为地址持有者的行为模式有所改变。　　图10显示了转让交易的累积年龄分布（每笔转让单独计数）。2023年上面两个分布之间的差异表明，最近的单笔地址分配规模要小得多，但仍在进行买卖。2023年记录的转让交易笔数中有20%是过去5年内分配的地址前缀，但这些交易的地址数目只占2023年转让地址总量的不到2%。同年记录中，转让地址数量的约30%是在20年或更早之前分配的，但对应的交易笔数仅占12%。图10 转让地址的年龄分布（按交易笔数）　　地址转让过程的驱动力有如下几个。其一是供不应求，不可避免地导致价格上涨。这会促使一些网络运营商提前购买地址，因为它们会预测到再晚买入会遇到更高价格。这个因素还可能促使一些地址持有者继续等待，等到价格上涨之后再出售地址。综合来看，这些动机可能会损害市场流动性，并形成一个导致价格进一步上涨的正反馈循环。2021年的情况似乎就是如此。　　第二个驱动力是IPv6的部署。在条件允许的情况下，许多应用程序倾向使用IPv6而不是IPv4（即所谓的协议选择算法“Happy Eyeballs”）。对于接入双栈的网络来说，双栈提供的服务越多，IPv4的流量就越少。这就减少了IPv4 CG-NAT（运营商级网络地址转换器）的地址消耗压力，降低了对IPv4地址空间的持续需求。对IPv4地址的进一步需求减少后，市场价格会受到影响。市场价格下降会促使卖方尽快将其闲置地址库存推向市场，因为进一步拖延只会导致价格更低。　　地址市场的最大特点是IPv6过渡状况的不确定性，以及网络进一步发展的不确定性。这种高度不确定性可能导致了图8中转让交易之间价格的巨大差异。　　不过，这种不确定性在2023年得到了一定程度的缓解，在过去一年中，IPv4需求水平似乎已经下降了。是不是我们终于成功部署了足够多的双栈网络基础设施，跑赢了需求压力？也许我们终于，可能是有史以来第一次，看到市场中的地址数量和相关服务平台设施达到饱和。　　本文刊登于《中国教育网络》2024年1月刊，原文所有权利归原作者（Geoff Huston）所有。本译文在获得原作者同意后发布。　　翻译：王文鑫　　责编：项阳　　转载请按此下述授权要求，注明译文作者、使用同一授权，并注明原作者和引用出处。　　在保证原作者所有权益的情况下，本译文使用Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International授权，详情见https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.en超出此授权范围之外的使用需获得“计算机史料随译”项目的许可，详情见https://random-cs-hans.github.io 网址:www.tianqi114.cc