IPv6 如何解决 NAT 问题以及它为何对现代互联网重要
Source: Dev.to
互联网最初是建立在一个简单而强大的理念之上的：网络上每个设备都应该能够直接与任何其他设备通信。
这个概念通常被称为端到端原则，它使早期的互联网灵活、创新且易于在其基础上进行扩展。新应用可以在不改变网络核心的情况下出现。
随着时间的推移，这种简洁性逐渐消失。互联网连接设备的快速增长暴露了 IPv4 的一个硬性限制，**网络地址转换（NAT）**于是被引入作为一种变通方案。NAT 让互联网得以继续运行，但它也从根本上改变了连通性的工作方式。IPv6 的诞生旨在彻底解决这个问题——通过重新设计地址体系，而不是再添加另一层变通。
本文将阐述 NAT 存在的原因、它如何使现代网络变得复杂，以及 IPv6 如何以实用且可扩展的方式恢复互联网的原始设计。
IPv4地址枯竭问题
- IPv4使用32‑位地址，允许大约43 亿个唯一的 IP 地址。
- 当 IPv4 在 1980 年代初设计时，这个数字几乎被视为无限。当时计算机稀少，手机未接入互联网，智能设备更是闻所未闻。
如今，一个家庭可能拥有智能手机、笔记本电脑、智能电视、监控摄像头、音箱、灯光和传感器——全部连接到互联网。把这种情况乘以全球数十亿的家庭和企业，可用的 IPv4 地址远远不够。
- 在 2011 年，全球 IPv4 地址池正式耗尽。
- 此后，组织不得不在二级市场购买 IPv4 地址，价格往往很高。
- 这种稀缺迫使网络大量依赖 NAT。
什么是 NAT 以及它为何被引入
网络地址转换（NAT）被引入作为 临时解决方案 来应对 IPv4 地址枯竭。它不是为每个设备分配公共 IP 地址，而是让许多设备共享一个公共地址。
- 在典型的家庭网络中，设备使用私有 IP 地址，例如
192.168.x.x或10.x.x.x。 - 这些地址 无法从公共互联网直接访问。
- 当设备向外发送流量时，路由器会将私有地址替换为自己的公共地址，并通过端口号来跟踪连接。
- 当响应返回时，路由器会将其转发给相应的内部设备。
这种方式在基本的网页浏览场景下运行良好，但它改变了连接方式。位于 NAT 后的设备可以轻松发起出站连接，但在没有特殊配置的情况下，接收入站连接会变得困难甚至不可能。
注意： NAT 从来就不是永久方案。它本是为 IPv6 广泛采用之前的过渡措施。几十年后，NAT 仍然随处可见。
NAT 如何破坏端到端连接
最大的問題在於 NAT 破壞了互聯網原本的端到端模型。位於 NAT 後面的設備沒有全局可達的地址；從外部世界看，它們實際上是隱蔽的。
現實中的問題
- 點對點應用 困難重重，因為雙方都需要接受傳入連接。
- 線上遊戲 常會顯示令人困惑的 “NAT 類型” 錯誤，導致玩家無法主持比賽或連接到特定的對等端。
- 語音與視頻通話 依賴複雜的技術在 NAT 設備上打洞；當打洞失敗時，流量必須通過服務器中繼，從而增加延遲。
- 在家運行服務 變得複雜。要托管遊戲伺服器、訪問家庭實驗室或暴露開發服務，都需要手動端口轉發——有時根本無法實現。
Carrier‑Grade NAT 让情况更糟
随着 IPv4 资源的稀缺加剧，许多 ISP 引入了 Carrier‑Grade NAT (CGN)。在这种部署中，用户的路由器甚至得不到真正的公网 IPv4 地址，而是获得另一个私有地址，随后在 ISP 网络内部再次被转换。
- 双重 NAT 会彻底破坏许多应用。
- 端口转发不再起作用。
- 某些 VPN 会失效。
- 想要托管任何类型的入站服务几乎变得不可能。
对用户而言，互联网似乎变得更加受限，而不是更加开放。
NAT 穿越复杂且脆弱
要应对 NAT，开发者创建了 STUN、TURN 和 ICE 等技术。这些系统尝试发现公共映射，或在直接连接失败时回退到中继服务器。
- 虽然令人印象深刻，但它们增加了复杂性，提升了基础设施成本，并且在所有网络环境中仍然无法可靠工作。
- 它们是巧妙的变通方案，并非真正的解决方案。
IPv6 如何彻底改变局面
IPv6 在设计时吸取了 IPv4 的经验教训。它使用 128‑bit 地址，这意味着在实际使用中地址空间几乎是无限的。
- 有足够的 IPv6 地址，使 每个设备都拥有自己的全局可路由地址，且绰绰有余。
- 由于地址不再稀缺，不再需要 NAT。
- 每个设备都可以直接寻址，恢复了真正的端到端连通性。
一个典型的家庭网络会获得 /64 IPv6 前缀，这大约提供 约 18 quintillion（约 1.8×10¹⁹）个地址。即使是设备最多的智能家居也永远不会用尽。
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什么是 IPv6 的端到端连接
使用 IPv6 时，NAT 所制造的人工屏障消失了。设备可以像发起出站连接一样轻松接受入站连接，只受防火墙规则的约束。
- 点对点应用 变得更简单、更可靠。
- 游戏 可以直接连接玩家，无需中继。
- 语音和视频通话 能建立直接路径，降低延迟。
- 文件共享 更加高效。
家庭服务器变得直观。运行在您机器上的服务拥有全局可达的地址。无需端口转发——只需在防火墙中允许相应流量。
对于开发者，applica (原文在此处被截断；后续本应讨论开发者如何受益于 IPv6 的端到端模型)。
理解 IPv6 地址
IPv6 地址写作八组十六进制数字，用冒号分隔。例如：
2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334为了让地址更易读，可以去掉前导零，并且可以使用双冒号 一次 压缩连续的零组：
2001:db8:85a3::8a2e:370:7334- 前 64 位标识网络。
- 后 64 位标识该网络上的设备。
自动地址配置（SLAAC）
IPv6 包含 Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC)。通过此机制，设备可以使用路由器广播的信息自动生成自己的地址。基本连通性不需要传统的 DHCP 服务器。
这使得 IPv6 网络更易于管理，并更接近真正的即插即用网络。
无 NAT 的安全
一个常见的误解是 NAT 提供了安全性。实际上，NAT 只是因为其工作方式而副作用地阻止了未经请求的入站流量；它 不是 安全机制。
IPv6 网络依赖于适当的防火墙。现代 IPv6 防火墙通常：
- 允许出站连接及其响应。
- 默认阻止未经请求的入站流量。
- 在明确配置时，允许特定的入站连接。
这种做法提供了与 NAT 相同的实际保护，同时保留了在需要时启用入站访问的能力。
隐私与 IPv6
由于 IPv6 地址可能是稳定的，早期出现了关于设备追踪的担忧。为了解决这个问题，现代操作系统使用 隐私扩展，为外向连接生成临时的随机地址。这些地址会随时间变化，降低长期追踪的风险，同时保留 IPv6 的优势。
今日可见的真实世界收益
- 游戏： 不再有 NAT 类型问题或连接失败。
- 语音和视频通话： 直接连接，质量更佳。
- 智能家居设备： 在不完全依赖云中继的情况下进行通信。
- 移动网络： 已经大量依赖 IPv6，以在海量设备数量下保持可扩展性。
IPv6 采用的现状
IPv6 采用率稳步增长。到 2025 年，约 45 % 的全球用户 通过 IPv6 访问主要服务。移动网络以及印度、德国、法国和美国等国家的采用尤为强劲。
许多网络仍以 双栈 模式运行，支持 IPv4 和 IPv6。IPv4 在一段时间内仍会存在，但趋势已十分明确。
如何启用并测试 IPv6
- 确认 ISP 是否支持 – 大多数现代运营商已支持 IPv6；有些可能需要手动激活。
- 在路由器上启用 IPv6 – 常见配置方式：
- DHCPv6 用于从 ISP 获取前缀。
- SLAAC 用于客户端侧地址配置。
验证已分配的 IPv6 地址
ip -6 addr show测试 IPv6 连通性
ping6 google.com使用 curl 测试 IPv6
curl -6 https://ipv6.google.com在线工具如 test‑ipv6.com 也可以确认您的设置是否正常工作。
结论
IPv6 解决了 IPv4 只能勉强应付的核心问题。通过消除地址稀缺，它消除了对 NAT 的需求，恢复了互联网最初的端到端设计。其结果是：
- 更简化的网络。
- 实时应用性能更佳。
- 为未来创新提供更开放的基础。
过渡是逐步进行的，但已经在稳步推进。今天启用和测试 IPv6 不仅是为了未来的准备——更是为了以互联网本应的方式使用它。