IPv6与NAT（Network Address Translation）皆为IETF组织所制定的规范，前者为下一世代因特网协议，而后者则为网址转换之机制。

IPv6与NAT简介

IPv6的发展过程，除了一般所知的IPv4地址不足之问题外，还有诸多技术上的考虑，包括网络架构的简单化、网络组态的自动化、路由效能的改善、网络安全的提升、行动性的支持，以及服务质量的提供等。

IPv6地址长度为128位，最多可提供3.4 x 1038个固定地址。读者可将图一的IPv6标头格式，与图二的IPv4标头格式比较，可以发现前者少了6个字段，所以IPv6可节省不少封包处理之时间。

《图一 IPv6标头格式》

《图二 IPv4标头格式》

我们可以看出其中最明显的差异在于IPv6标头的流量卷标（Flow Label），而在IPv4中并无类似的字段。流量卷标的目的，在于标示特定的实时与多媒体讯务；而下层标头（Next Header）则是用来标示紧接于IPv6标头后的延伸标头种类，包括节点选项标头（Hop – by – Hop Options Header）、收端选项标头（Destination Options Header）、路由标头（Routing Header）、分割标头（Fragment Header）、认证标头（Authentication Header）、加密安全数据标头（Encrypted Security Payload Header）与其它上层之标头（Upper Layer Header），图三显示出IPv6延伸标头的架构。

《图三 IPv6延伸标头的架构》

IPv4地址的不足

这些延伸标头的先后次序，需依照上述的先后次序来排列。在IPv6普遍出现后，全世界因特网地址不足的情形可望能够解决。至于IPv4地址，目前已被注册使用的地址数约占全部的70%，专家预估2010年将会用尽。因为美国拥有约四分之三的IPv4地址，所以亚洲及欧洲等信息先进国家，已慢慢开始面临IP地址不足的问题了。而无线行动通讯与因特网家电设备在日渐普及后，将会需要固定的IP地址来做网络的链接。

虽然IPv6标准已大致完备，但要推动全球化，的确不是短时间内就能完成。究其原因，绝大多数的网络用户目前只用到电子邮件与WWW，这些应用不一定需要公共的IP地址，所以用户不易感受到IPv6的迫切需要。因此要将IPv6全面取代IPv4，可能需要相当长的一段时间。有关详细之IPv6相关规范，可以参考RFC 2460 – 2463与其它数十份相关的RFC。

NAT的网址转换

网址转换基本上是将一个网络地址转成另一个不同的地址的机制，最常见的是，利用一个IP地址将多部计算机连接上因特网。NAT的机制通常是安装在路由器上，它的一边连到末端网域（Stub Domain），就像是局域网络或企业网络，在此我们称之为内部网络；另一边则连到骨干网络，被称为外部网络。

一个送往外部网络的封包（Packet），NAT会将它的送端区域地址转换为全球单一地址；反之一个送往内部网络之封包，NAT会将它的全球单一地址转成内部区域地址；这种方式提供了企业网络（Intranet）用户一种有效且便宜的因特网撷取服务。不过透过网址转换后，虽然外部网络用户无法知道NAT的存在，但对内部而言，每个用户还是可以联机上网。

图四显示了NAT的运作方式，假设内部网络上的工作站A（192.168.100.100）送一封包至外部网络的服务器B（208.208.111.222），此封包在经过NAT路由器时，NAT机制会将送端地址192.168.100.100改成公共地址140.113.100.200。

因此当服务器B收到工作站A的封包时，送端的地址将会是140.113.100.200；而服务器B响应封包的收端地址也会是140.113.100.200，此封包在经过NAT路由器时，收端地址将被转换成192.168.100.100，然后再送至内部网络上的工作站A。如果内部工作站A与C都同时都连到服务器B，那么就必须以不同的TCP埠号（Port Number）来区分，因为对于不同的网络联机，其识别方法就是要利用收端与送端的IP地址与TCP埠号来作区分。

《图四 NAT运作架构》

由图四的转址表可以看出，工作站A与C的外送封包使用同一个公共IP地址，但TCP埠号却不一样，因此NAT可以透过TCP埠号来分辨不同的内部区域网址。利用NAT的动机，除了因应日益短缺IPv4地址外，网络与信息安全的考虑以及管理上的方便也是重要的因素之一。

至于内部的网址不同于外部的网址也具有多项的意义，它可用在负载平衡（Load Balancing），例如热门网站可以利用NAT将大量查询要求分散到不同的网页服务器，以平衡各服务器的负载，并避免造成塞车。因为NAT转址的速度远比服务器执行网页查询的速度为快，因此只要内部区域地址不会太多，便不会造成NAT设备之塞车，同样的方法也可以用在大型数据库服务器上。

NAT的防火墙机制

NAT同时也提供了各式的撷取安全管制，最典型之例子就是防火墙（Firewall）的机制。

由于NAT可以将网络分隔成内部与外部，所有经过NAT设备的IP包头都需要在此重写，因此外部网络的用户事实上无法看到内部网络的状况，如此一来，可防止非法之入侵。NAT为提供网络管理者作业上的方便，面对日渐不足的IP地址，网络管理者可以使用私有IP，例如192.168.x.x或10.x.x.x；这些IP地址若只用于内部网络，可以不用登记注册。

另外一种日渐重要的网络转址应用为NAT – PT（Network Address Translation-Protocol Translation，RFC 2766），它是用来做IPv4与IPv6之间的协议转换。由于将IPv4转移至IPv6的过程是渐进式，因此预期两种协议将会同时存在相当长的一段时间，并且互相对话，而NAT – PT将继续扮演“翻译者”的角色。NAT – PT通常是路由器，并安装在网络的分界点（Network Boundary）。

IPv6与NAT的优缺点

从技术观点而言，IPv4已使用了二十多年，面对日新月异的各种应用，功能难免会有所不足。而IPv6则是针对这些不足之处加以改进，如在IP层的每个节点做错误检查（Checksum）、不用做封包切割（Fragmentation）、没有标头选项（Header Options）、以群播（Multicast）取代广播（Broadcast）、以64位取代原来之32位、最小MTU加大至1280字符（Bytes）、延伸标头（Extended Header）使选项部份不受限制，以及可以将选项的处理交给接收端等。因此整体而言，IPv6的效能将比IPv4更为强化。

此外，从用户之观点来看，IPv6可以支持随插随用（Plug and Play）的功能，大幅简化了网管者的作业。用户可以无接缝式的连上因特网、可以得到确保质量的服务，及可以提供更方便的多驻地（Multi – homing）功能，简单说就是同时连上多个ISP。

NAT的最大好处为简化网络异动的管理程序，例如当内部网络的服务器或主机的地址改变时，只要更改NAT路由器的设定，往后外部网络的主机想要联机到这些服务器或主机时，仍可以用原有的地址。

当然NAT也有一些缺点，如实际上它并没提供更多公用的IPv4地址，和它破坏了端对端的双向通讯模式；一部计算机可以透过NAT直接连到一部在公共IP网络上的计算机，但反过来看，后者却无法“看”到前者并直接与其连接。此外，它会造成单点当机，也就是说，如果NAT设备当机，所有经过它的联机都会因而中断。其余的缺点则有让IPsec功能失效，及行动式设备使用NAT将容易造成问题等。

IPv6与 NAT实务上的问题

IETF并非一开始就决定发展IPv6为下一世代因特网协议，事实上它有好几个竞争者。1994年初，下一世代IP建议书被制定出来后，一直到了1995年底，才完成第一份IPv6规范（RFC1883）。目前的IPv6规范（RFC 2460）则是在1997年底修正改进后的版本。至于网络地址转换器（The IP Network Address Translator，RFC 1631），则是在CIDR与 DHCP通过后，于1994年制定。虽然NAT比IPv6早一步制定，不过NAT很快地被普遍的接受与使用，而IPv6的推展则相对地缓慢。

IPv6的瓶颈与解决方案

IPv6发展缓慢的原因是可以理解，因为目前因特网大多数的应用系统都是在IPv4的架构底下，使用NAT并不会影响这些用户的日常应用，而且在技术上不受外部网络架构之影响。不过一旦更新为IPv6，那么所有相关的因特网连线作业、应用程序与所经过的路由设备都必须能够支持IPv6；也就是说牵涉到的层面很广，就算网络管理者改用新的IPv6协议，也只能更新内部网络的部份，并不能保证用户的各种应用都可以照常顺利执行。这些复杂度与不确定性，也间接地造成了许多系统管理者的观望。

目前渐进式的解决办法是使用双堆栈（Dual Stack）的方式，即网络设备商提供同时支持IPv4与IPv6的路由器；如此一来，不论是IPv4或IPv6的应用程序，使用起来都不成问题。不过为了要让所有因特网上的路由设备都更新成双堆栈系统，所有应用程序也应更新为IPv6版本，但这绝非短期间内可以完成。

除了实现过程上的复杂度外，还有IPv6的一些规范可能会造成问题。由于IPv6协议中有延伸标头的选项，因此如果为了安全考虑而启动封包过滤机制，那么所有封包上之延伸标头皆须检查；如果这些动作由网络节点来处理，那么将会大大降低路由器的效能。虽然透过硬件设计可以加速封包处理速度，但对于选项的处理并不易由硬件来实现，因此这方面的顾虑是可以理解的。

NAT发展的情况

简单小型的NAT设备在成本上比IPv6路由器设备便宜许多，其安装也十分容易，这也是它在发展与实现过程上之优势。不过NAT不见得适合大规模的系统，一方面是由于效能的考虑，另一方面，它的单点当机影响也是个重要因素。目前网络攻击事件层出不穷，NAT也很容易造成黑客攻击的目标；假如黑客一旦知道一个NAT的存在，并弄垮它，那么就等于瘫痪掉一个网络。

假如在NAT – PT的过程中，只是做地址的转换，那应该没什么问题，但若要转换协议中的其它字段，例如IPv6中的流量卷标或是延伸标头，因IPv4中没有这些项目，其结果是封包仍然可以到达目的地，但一些讯务特性将因NAT – PT而无法显现。

IPv6的未来趋势

目前在许多信息先进的国家，都有IPv6的大型或试用计划在进行，例如日本的WIDE、德国的JOIN／DFN、加拿大的Viagenie、挪威的UNINETT、瑞士的SWITCH、法国的G6／Renater2、奥地利的ACOnet，以及欧盟的Quantum等知名国际大厂也都相继投入了IPv6的发展与应用。在美国，微软（Microsoft）与思科（Cisco）与升阳（Sun）都宣布支持IPv6；在欧洲，英国电信（British Telecommunications）也提供了免费的IPv6来作试用；而Nokia则在英国展示了IPv6的仿真生活，并采用IPv6来实现行动因特网（Mobile Internet）。

日本发展最快，据估计NTT将成为全世界第一个利用IPv6的ISP，至于时间表所预期的状况是在未来三、五年内，IPv4与IPv6将同时并存一段时间。至于台湾，目前IPv6联盟已于2002年成立，并计划在2007年完成全台网络升级。

结语

随着IPv4的地址越来越难取得，且有越来越多的应用程序转移到IPv6上，用户将会慢慢改用IPv6；不过可能要等到因特网上的IPv4用户少到厂商不愿再提供服务时，IPv6才会全面实现。但要多久的时间，目前并不容易断定。

至于NAT，因为IPv6的地址充裕，因此不需要NAT再来扩充地址，不过网络转址的目的不一定是扩充地址，有些是用在负载平衡与安全防护方面，还有前面提到的IPv4／IPv6协议之转换。因此NAT预期在未来数年内还会持续地发展，就算IPv6全面实施，NAT仍是有一定的角色要扮演。

＜作者任职于交通大学信息工程系：ycchen@cise.nctu.edu.tw＞

延 伸 阅 读	新一代网络协议 – IPv6之剖析 IPv6的制订有几个重要的因素存在，第一个因素为解决IP地址不敷使用的问题，第二个因素为解决IPv4 转换到IPv6之过程所衍生出来的问题。 网络地址转换（Network Address Translator，NAT） 网络地址转换是将内部网络的 IP Address转换成外部网络的IP Address的一种技术。它同时也是一个解决目前网络上IP address的数量不敷使用的问题的方案，并具有简单的防火墙的功能。 IP的现况与未来 网络世界和真实社会有一点很类似，就是都需要一个门牌号码，以便对方把各种讯息传递到你的「位置」，或是反过来发信号送到你想发送的「位置」。这个「位置」就是所谓的因特网协议（Internet Protocol，IP），也可以称为「IP地址」（IP Address）。

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