IPv6與NAT（Network Address Translation）皆為IETF組織所制定的規範，前者為下一世代網際網路協定，而後者則為網址轉換之機制。

IPv6與NAT簡介

IPv6的發展過程，除了一般所知的IPv4位址不足之問題外，還有諸多技術上的考量，包括網路架構的簡單化、網路組態的自動化、路由效能的改善、網路安全的提昇、行動性的支援，以及服務品質的提供等。

IPv6位址長度為128位元，最多可提供3.4 x 1038個固定位址。讀者可將圖一的IPv6標頭格式，與圖二的IPv4標頭格式比較，可以發現前者少了6個欄位，所以IPv6可節省不少封包處理之時間。

《圖一　IPv6標頭格式》

《圖二　IPv4標頭格式》

我們可以看出其中最明顯的差異在於IPv6標頭的流量標籤（Flow Label），而在IPv4中並無類似的欄位。流量標籤的目的，在於標示特定的即時與多媒體訊務；而下層標頭（Next Header）則是用來標示緊接於IPv6標頭後的延伸標頭種類，包括節點選項標頭（Hop – by – Hop Options Header）、收端選項標頭（Destination Options Header）、路由標頭（Routing Header）、分割標頭（Fragment Header）、認證標頭（Authentication Header）、加密安全資料標頭（Encrypted Security Payload Header）與其它上層之標頭（Upper Layer Header），圖三顯示出IPv6延伸標頭的架構。

《圖三　IPv6延伸標頭的架構》

IPv4位址的不足

這些延伸標頭的先後次序，需依照上述的先後次序來排列。在IPv6普遍出現後，全世界網際網路位址不足的情形可望能夠解決。至於IPv4位址，目前已被註冊使用的位址數約佔全部的70%，專家預估2010年將會用盡。因為美國擁有約四分之三的IPv4位址，所以亞洲及歐洲等資訊先進國家，已慢慢開始面臨IP位址不足的問題了。而無線行動通訊與網際網路家電設備在日漸普及後，將會需要固定的IP位址來做網路的連結。

雖然IPv6標準已大致完備，但要推動全球化，的確不是短時間內就能完成。究其原因，絕大多數的網路使用者目前只用到電子郵件與WWW，這些應用不一定需要公共的IP位址，所以使用者不易感受到IPv6的迫切需要。因此要將IPv6全面取代IPv4，可能需要相當長的一段時間。有關詳細之IPv6相關規範，可以參考RFC 2460 – 2463與其它數十份相關的RFC。

NAT的網址轉換

網址轉換基本上是將一個網路位址轉成另一個不同的位址的機制，最常見的是，利用一個IP位址將多部電腦連接上網際網路。NAT的機制通常是安裝在路由器上，它的一邊連到末端網域（Stub Domain），就像是區域網路或企業網路，在此我們稱之為內部網路；另一邊則連到骨幹網路，被稱為外部網路。

一個送往外部網路的封包（Packet），NAT會將它的送端區域位址轉換為全球單一位址；反之一個送往內部網路之封包，NAT會將它的全球單一位址轉成內部區域位址；這種方式提供了企業網路（Intranet）使用者一種有效且便宜的網際網路擷取服務。不過透過網址轉換後，雖然外部網路使用者無法知道NAT的存在，但對內部而言，每個使用者還是可以連線上網。

圖四顯示了NAT的運作方式，假設內部網路上的工作站A（192.168.100.100）送一封包至外部網路的伺服器B（208.208.111.222），此封包在經過NAT路由器時，NAT機制會將送端位址192.168.100.100改成公共位址140.113.100.200。

因此當伺服器B收到工作站A的封包時，送端的位址將會是140.113.100.200；而伺服器B回應封包的收端位址也會是140.113.100.200，此封包在經過NAT路由器時，收端位址將被轉換成192.168.100.100，然後再送至內部網路上的工作站A。如果內部工作站A與C都同時都連到伺服器B，那麼就必須以不同的TCP埠號（Port Number）來區分，因為對於不同的網路連線，其識別方法就是要利用收端與送端的IP位址與TCP埠號來作區分。

《圖四　NAT運作架構》

由圖四的轉址表可以看出，工作站A與C的外送封包使用同一個公共IP位址，但TCP埠號卻不一樣，因此NAT可以透過TCP埠號來分辨不同的內部區域網址。利用NAT的動機，除了因應日益短缺IPv4位址外，網路與資訊安全的考量以及管理上的方便也是重要的因素之一。

至於內部的網址不同於外部的網址也具有多項的意義，它可用在負載平衡（Load Balancing），例如熱門網站可以利用NAT將大量查詢要求分散到不同的網頁伺服器，以平衡各伺服器的負載，並避免造成塞車。因為NAT轉址的速度遠比伺服器執行網頁查詢的速度為快，因此只要內部區域位址不會太多，便不會造成NAT設備之塞車，同樣的方法也可以用在大型資料庫伺服器上。

NAT的防火牆機制

NAT同時也提供了各式的擷取安全管制，最典型之例子就是防火牆（Firewall）的機制。

由於NAT可以將網路分隔成內部與外部，所有經過NAT設備的IP封包標頭都需要在此重寫，因此外部網路的使用者事實上無法看到內部網路的狀況，如此一來，可防止非法之入侵。NAT為提供網路管理者作業上的方便，面對日漸不足的IP位址，網路管理者可以使用私有IP，例如192.168.x.x或10.x.x.x；這些IP位址若只用於內部網路，可以不用登記註冊。

另外一種日漸重要的網路轉址應用為NAT – PT（Network Address Translation-Protocol Translation，RFC 2766），它是用來做IPv4與IPv6之間的協定轉換。由於將IPv4轉移至IPv6的過程是漸進式，因此預期兩種協定將會同時存在相當長的一段時間，並且互相對話，而NAT – PT將繼續扮演“翻譯者”的角色。NAT – PT通常是路由器，並安裝在網路的分界點（Network Boundary）。

IPv6與NAT的優缺點

從技術觀點而言，IPv4已使用了二十多年，面對日新月異的各種應用，功能難免會有所不足。而IPv6則是針對這些不足之處加以改進，如在IP層的每個節點做錯誤檢查（Checksum）、不用做封包切割（Fragmentation）、沒有標頭選項（Header Options）、以群播（Multicast）取代廣播（Broadcast）、以64位元取代原來之32位元、最小MTU加大至1280字元（Bytes）、延伸標頭（Extended Header）使選項部份不受限制，以及可以將選項的處理交給接收端等。因此整體而言，IPv6的效能將比IPv4更為強化。

此外，從使用者之觀點來看，IPv6可以支援隨插隨用（Plug and Play）的功能，大幅簡化了網管者的作業。用戶可以無接縫式的連上網際網路、可以得到確保品質的服務，及可以提供更方便的多駐地（Multi – homing）功能，簡單說就是同時連上多個ISP。

NAT的最大好處為簡化網路異動的管理程序，例如當內部網路的伺服器或主機的位址改變時，只要更改NAT路由器的設定，往後外部網路的主機想要連線到這些伺服器或主機時，仍可以用原有的位址。

當然NAT也有一些缺點，如實際上它並沒提供更多公用的IPv4位址，和它破壞了端對端的雙向通訊模式；一部電腦可以透過NAT直接連到一部在公共IP網路上的電腦，但反過來看，後者卻無法“看”到前者並直接與其連接。此外，它會造成單點當機，也就是說，如果NAT設備當機，所有經過它的連線都會因而中斷。其餘的缺點則有讓IPsec功能失效，及行動式設備使用NAT將容易造成問題等。

IPv6與 NAT實務上的問題

IETF並非一開始就決定發展IPv6為下一世代網際網路協定，事實上它有好幾個競爭者。1994年初，下一世代IP建議書被制定出來後，一直到了1995年底，才完成第一份IPv6規範（RFC1883）。目前的IPv6規範（RFC 2460）則是在1997年底修正改進後的版本。至於網路位址轉換器（The IP Network Address Translator，RFC 1631），則是在CIDR與 DHCP通過後，於1994年制定。雖然NAT比IPv6早一步制定，不過NAT很快地被普遍的接受與使用，而IPv6的推展則相對地緩慢。

IPv6的瓶頸與解決方案

IPv6發展緩慢的原因是可以理解，因為目前網際網路大多數的應用系統都是在IPv4的架構底下，使用NAT並不會影響這些使用者的日常應用，而且在技術上不受外部網路架構之影響。不過一旦更新為IPv6，那麼所有相關的網際網路連線作業、應用程式與所經過的路由設備都必須能夠支援IPv6；也就是說牽涉到的層面很廣，就算網路管理者改用新的IPv6協定，也只能更新內部網路的部份，並不能保證使用者的各種應用都可以照常順利執行。這些複雜度與不確定性，也間接地造成了許多系統管理者的觀望。

目前漸進式的解決辦法是使用雙堆疊（Dual Stack）的方式，即網路設備商提供同時支援IPv4與IPv6的路由器；如此一來，不論是IPv4或IPv6的應用程式，使用起來都不成問題。不過為了要讓所有網際網路上的路由設備都更新成雙堆疊系統，所有應用程式也應更新為IPv6版本，但這絕非短期間內可以完成。

除了實現過程上的複雜度外，還有IPv6的一些規範可能會造成問題。由於IPv6協定中有延伸標頭的選項，因此如果為了安全考量而啟動封包過濾機制，那麼所有封包上之延伸標頭皆須檢查；如果這些動作由網路節點來處理，那麼將會大大降低路由器的效能。雖然透過硬體設計可以加速封包處理速度，但對於選項的處理並不易由硬體來實現，因此這方面的顧慮是可以理解的。

NAT發展的情況

簡單小型的NAT設備在成本上比IPv6路由器設備便宜許多，其安裝也十分容易，這也是它在發展與實現過程上之優勢。不過NAT不見得適合大規模的系統，一方面是由於效能的考量，另一方面，它的單點當機影響也是個重要因素。目前網路攻擊事件層出不窮，NAT也很容易造成駭客攻擊的目標；假如駭客一旦知道一個NAT的存在，並弄垮它，那麼就等於癱瘓掉一個網路。

假如在NAT – PT的過程中，只是做位址的轉換，那應該沒什麼問題，但若要轉換協定中的其它欄位，例如IPv6中的流量標籤或是延伸標頭，因IPv4中沒有這些項目，其結果是封包仍然可以到達目的地，但一些訊務特性將因NAT – PT而無法顯現。

IPv6的未來趨勢

目前在許多資訊先進的國家，都有IPv6的大型或試用計畫在進行，例如日本的WIDE、德國的JOIN／DFN、加拿大的Viagenie、挪威的UNINETT、瑞士的SWITCH、法國的G6／Renater2、奧地利的ACOnet，以及歐盟的Quantum等知名國際大廠也都相繼投入了IPv6的發展與應用。在美國，微軟（Microsoft）與思科（Cisco）與昇陽（Sun）都宣佈支援IPv6；在歐洲，英國電信（British Telecommunications）也提供了免費的IPv6來作試用；而Nokia則在英國展示了IPv6的模擬生活，並採用IPv6來實現行動網際網路（Mobile Internet）。

日本發展最快，據估計NTT將成為全世界第一個利用IPv6的ISP，至於時間表所預期的狀況是在未來三、五年內，IPv4與IPv6將同時並存一段時間。至於台灣，目前IPv6聯盟已於2002年成立，並計畫在2007年完成全台網路升級。

結語

隨著IPv4的位址越來越難取得，且有越來越多的應用程式轉移到IPv6上，使用者將會慢慢改用IPv6；不過可能要等到網際網路上的IPv4使用者少到廠商不願再提供服務時，IPv6才會全面實現。但要多久的時間，目前並不容易斷定。

至於NAT，因為IPv6的位址充裕，因此不需要NAT再來擴充位址，不過網路轉址的目的不一定是擴充位址，有些是用在負載平衡與安全防護方面，還有前面提到的IPv4／IPv6協定之轉換。因此NAT預期在未來數年內還會持續地發展，就算IPv6全面實施，NAT仍是有一定的角色要扮演。

＜作者任職於交通大學資訊工程系：ycchen@cise.nctu.edu.tw＞

延 伸 閱 讀	新一代網路通訊協定 – IPv6之剖析 IPv6的製訂有幾個重要的因素存在，第一個因素為解決IP位址不敷使用的問題，第二個因素為解決IPv4 轉換到IPv6之過程所衍生出來的問題。 網路位址轉換（Network Address Translator，NAT） 網路位址轉換是將內部網路的 IP Address轉換成外部網路的IP Address的一種技術。它同時也是一個解決目前網路上IP address的數量不敷使用的問題的方案，並具有簡單的防火牆的功能。 IP的現況與未來 網路世界和真實社會有一點很類似，就是都需要一個門牌號碼，以便對方把各種訊息傳遞到你的「位置」，或是反過來發信號送到你想發送的「位置」。這個「位置」就是所謂的網際網路協定（Internet Protocol，IP），也可以稱為「IP位址」（IP Address）。

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