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IPv4（Internet Protocol version 4）是互联网最核心的通信协议之一，自 1981 年正式标准化以来，支撑了全球互联网近 40 年的发展，但是因为其数量的限制，正在逐步退出历史的舞台。
IPv4 因为使用 32 位地址，因此其理论最大地址数量为：
截止目前为止，IPv4已经全部使用殆尽。
2011 年 2 月 IANA（国际互联网号码分配机构） 宣布 IPv4 地址池耗尽，最后 5 个 /8 地址块分配给全球 5 个 RIR（区域互联网注册机构）。
2011 年 4 月 APNIC（亚太地区） 第一个耗尽 IPv4 地址的 RIR，仅保留少量地址用于过渡。
2012 年 9 月 RIPE NCC（欧洲） 宣布 IPv4 地址耗尽。
2014 年 6 月 LACNIC（拉丁美洲） 耗尽。
2015 年 9 月 ARIN（北美） 耗尽。
而对于这个问题，现在使用的主流解决方法是NAT技术或者升级为IPv6。
NAT技术
NAT（Network Address Translation）是一种 IP 地址转换技术，主要用于解决IPv4 地址短缺问题，并提高网络安全性。它的核心功能是 将私有 IP 地址映射到公网 IP 地址，使多个设备可以共享一个公网 IP 访问互联网。
NAT技术将IPv4地址划分为两个部分：
私网IP：10.* && 172.16。*-172.31.* && 192.168.*
公网IP：除了上述的都是公网和私网的关系可以看做是一个包含关系，同一个局域网的私网IP使用同一个公网IP进行上网，公网的IP是唯一的，而私网的IP在不同的局域网中是可以重复的。
对于同一个局域网的私网IP他是动态变化的，每次上网时都是公网随机分配给你一个空闲的IP地址，当然你也可以手动设置成固定的一个值（偶尔可能会被占用）。
私网在访问网络时，会先通过公网IP，然后使用公网IP再去访问网络。
+-------------------+ +---------------------+ +---------------------+
| 私网设备 | | NAT 路由器 | | 互联网服务器 |
| (192.168.1.100) | ---> | (公网IP: 203.0.113.1)| ---> | (8.8.8.8) |
| | <--- | | <--- | |
+-------------------+ +---------------------+ +---------------------+在NAT路由器中，存在一种映射关系，用于私网和公网之间的转换，不同的私网在使用公网IP时是通过端口号进行区分的。
在返回响应时也是如此，根据映射关系替换掉IP地址以及端口号，然后转发给私网的设备。
除此之外，在NAT背景下网络通信还有以下规则：
1.同一个局域网下，两个设备可以互相通信
由于同一个局域下，私网IP地址不存在重复的情况，并不会涉及NAT。
2.公网设备A可以访问公网设备B
公网也不涉及IP地址冲突。
3.不同局域网下的设备A和设备B不允许互相访问
NAT机制禁止这样的访问方式，这也进一步提高了网络安全。
4.公网设备A不允许访问私网设备B
并不是绝对的，可以利用内网穿透的方式进行转发。
IPv6
IPv6（Internet Protocol version 6）是 IPv4 的升级版本，旨在解决 IPv4 地址枯竭问题，并提供更高效、更安全的网络通信。
IPv6是128位的地址，可以存储2^128位地址（约 340 万亿亿亿亿），这个数量即使给地球上的每一粒沙子都分配一个地址都够用。
IPv4和IPv6都是网络层的协议，但是他们的数据包格式不同。
| 对比项 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32 位（4 字节） | 128 位（16 字节） |
| 地址表示 | 192.168.1.1 |
2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334 |
| 源/目标 IP 字段 | 各 32 位 | 各 128 位 |
| 头部大小 | 20-60 字节（可变） | 40 字节（固定） |
IPv6数据包格式（部分）
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 版本 (6) | 流量类别 | 流标签 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 载荷长度 | 下一个头部 | 跳数限制 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 源 IP (128 位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 目标 IP (128 位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+IPv6 仍然使用 IP 协议（只是版本不同），但 IPv6 通常不需要 NAT，因为它的地址空间足够大（2^128 个地址），每台设备都可以有全球唯一的公网 IP。
IPv4和IPv6两种协议并不兼容，因此IPv6的普及依旧需要时间。
- 截至 2023 年 ：全球 IPv6 采用率约 40%（中国、印度超 50%，美国仅 30%）。
- 旧硬件/软件可能并不支持 IPv6。
长远角度来看，IPv6是解决该问题的终极方法，NAT技术可能会减少，但是不会完全消失。