网络门牌也会用完？从 IPv4 将用尽谈网络的 IP 与 MAC 位址

IPv4 位址耗尽的问题愈来愈严重，继亚太区、欧洲、拉丁美洲等地区的 IP 位址相继用尽后，从北美地区的 IPv4 用尽倒数计划中，也看到 IPv4 地址即将用尽，由于 IPv4 转换到 IPv6 位址过渡需要时间，因此所有单位应该提早准备部署 IPv6 位址。到底什么是 IPv4 和 IPv6 位址？它和另一个常会听到的 MAC 位址又有什么不同？IPv4 位址会用尽，那 MAC 位址会不会用尽呢？

什么是 IP 位址（Internet Protocol）？

IP 位址又称为“软件位址（Software address）”或“逻辑位址（Logical address）”，是由网络号码分配机构（Internet Assigned Numbers Authority，IANA）制定。

全世界所有能够连接互联网的“节点（Node）”都需要 IP 位址，资料封包传送到互联网必须指定 IP 位址才能够协助电脑查询 MAC 位址，最后才能够顺利传送到接收端。这里所谓的节点（Node）包括路由器（Router）、闸道器（Gateway）等网络电信设备，甚至各种用户设备，不论是有线或无线，只要想链接网络就需要 IP 位址。

目前使用的 IP 版本为第四版（IPv4：IP version 4），IP 位址使用十进位其格式为“140.112.66.88”，如图一所示，转换成二进位总共有32位（bit），相当于 4 位组（Byte），总共可以提供 2³²（大约 43 亿）个位址。

IPv4 位址的格式。

由于能够连接互联网的节点（Node）都需要 IP 位址，显然 43 亿个位址是不够用的，更何况这 43 亿个位址有许多是保留做为测试、广播等特别用途，一般设备不能拿来做为传送资料封包使用。

IP 位址就好像传统邮件寄件人与收件人的“公司名称”，大家回想一下，假设寄件人与收件人都是公司，全世界每间公司的名称理论上应该是唯一的，否则邮差一不小心就会送错地方啰！咦～看到这里有没有觉得怪怪的，以前不是都听人家说 IP 位址是“门牌地址”吗？怎么变成“公司名称”了呢？别急别急，继续看下去吧！

另一个 MAC 位址又是什么？

这个 MAC 可不是时下流行的苹果电脑（Mac），而是媒体存取控制位址（Media Access Control，MAC ）又称为“硬件位址（Hardware address）”或“实体位址（Physical address）”，是由美国电子电机工程师学会（Institute of Electronic and Electrical Engineer，IEEE）制定。

电脑所使用的每张网络卡在出厂时都会在唯读内存（Read Only Memory，ROM）中烧录唯一的 MAC 位址，MAC 位址总共 6 位组（Byte），前面位组是生产网络卡的厂商代码，后面 3 位组是这张网络卡的编号，所以全世界所使用的每一张网络卡的 MAC 位址都不同，也因为这个特性，许多金融业的线上交易为了确保网络安全，可以读取使用者电脑的 MAC 位址注册，这样至少可以确定用户端的电脑是那一台，减少怪客（Cracker）入侵的机会。

图二为智能手机内建 Wi-Fi 与蓝牙网卡的 MAC 位址，大家可以到电脑网络卡资讯中找到所属设备的 MAC 位址，在 iPhone 下则可以透过“设定→一般→关于本机”查询自己手机的 MAC 位址。

MAC 位址使用十六进位（0123456789ABCDEF）其格式为“00：F8：B9：0B：A1：FB”，转换成二进位总共有 48 位（bit），相当于 6 位组（Byte），总共可以提供2⁴⁸（大约281兆）个位址。

智能手机的 Wi-Fi 与蓝牙网卡的 MAC 位址。

由于每张网络卡在出厂时都会烧录唯一的 MAC 位址，因此 MAC 位址的用量比 IP 位址还大，所幸 281 兆个位址暂时足够目前所有的有线与无线通讯设备网络卡使用，包括：乙太网络（Ethernet）、无线区域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）、射频识别元件（RFID）、近场通讯元件（NFC）等，IEEE 期待 MAC 位址被用尽的时间不会早于 2100 年，但是随着愈来愈多连网设备普及，这个时间可能会提前。

在网络的世界里，为了要将封包传送到正确的位置，必须在资料封包的表头（Header）（类似传统邮件的信封）填入接收端网络卡的 MAC 位址（Destination MAC）与传送端网络卡的 MAC 位址（Source MAC），大家会不会觉得奇怪，平常在写 Email 的时候都是填写收件人的 Email 位址（例如：hightechtw@gmail.com），好像从来没有填过接收端网络卡的 MAC 位址，别说使用者根本不知道接收端网络卡的 MAC 位址，甚至连自己电脑网络卡的 MAC 位址都太清楚，怎么填呢？

其实这一切在寄 Email 的时候，MAC 位址是电脑就会自动填好，电脑当然知道自己网络卡的 MAC 位址，至于接收端网络卡的 MAC 位址，电脑必须使用接收端的 IP 位址来查询，查好以后电脑也会自动填好，再将这个封包传送出去，不知不觉之中电脑就做了这么多事，才把 Email 寄给对方啰！

MAC 位址就好像传统邮件寄件人与收件人的“门牌地址”，大家回想一下，全世界每个人家里的门牌地址是不是唯一的呢？当然是唯一的，否则邮差怎么送信呀？既然 IP 位址和 MAC 位址都是唯一的，那为什么说 IP 位址像“公司名称”，MAC 位址像“门牌地址”呢？

“IP 位址”和“MAC 位址”有什么不同？

“IP 位址”是由网管人员手动或服务器自动设定，是可以改变的，因此好像“公司名称”；“MAC 位址”烧录在网络卡的唯读内存（ROM）内，是固定不变的，因此好像“门牌地址”。

假设我们只讨论固定不动的桌上型电脑，那电脑（网络卡）买来以后是是固定在某一个地方不移动也不改变，因此 MAC 位址很像门牌地址一样不移动也不改变；而这台电脑要上网时所使用的 IP 位址是网管人员手动或服务器自动设定的，是可以改变的，就好像同一个门牌地址（MAC 位址）的房子，由不同的人来开公司，就会有不同的公司名称（IP 位址）。

许多文章都说 IP 位址是门牌地址，这样的比喻不完全正确，因为 IP 位址是可以改变的，今天网管人员把它设定给电机系使用，电机系的电脑就用它连接网络；明天把它设定给资工系使用，资工系的电脑就用它连接网络，我们应该很少看过门牌地址可以这样改来改去的吧！

那么既然有了 MAC 位址，为什么还需要 IP 位址呢？经过前面的介绍，大家应该发现 IP 位址的 32 位数字是有意义的，当我们看到 140.112.66.88，我们会立刻知道这是台大的 IP 位址（140.112.X.X），虽然我不知道这台电脑是谁的，但是它一定是从台大的某个地方连接过来的，而我们却很难从 MAC 位址知道那是在什么地方的网络卡，最多只知道是那一家厂商制造的网络卡而已。

对网管人员来说，能够从 IP 位址简单地知道网络的相关资讯，也能够轻易地切割子网络，更能够随时改变IP位址，以达到实际网络不同架构的需求，所以IP位址是非常重要的。

私有 IP（Private IP）与真实 IP（Real IP）

目前使用的 IP 版本为第四版（IPv4），总共可以提供 2³²（大约 43 亿）个位址，其实早就不够用了，科学家发明了所谓的“私有 IP（Private IP）”，才让 43 亿个位址用到现在，那什么是私有 IP 呢？

• 真实IP（Real IP）：可以在互联网上使用的 IP 位址，也就是互联网上的节点（路由器或闸道器）认得的 IP 位址称为“外部 IP（External IP）”或“真实 IP（Real IP）”。
• 私有 IP（Private IP）：只能在公司或家庭内部私有网络使用的 IP 位址，也就是互联网上的节点（路由器或闸道器）并不认得的 IP 位址，称为“内部 IP（Internal IP）”或“私有 IP（Private IP）”。

我们平常使用网络一定是连接到外部的互联网吗？有没有可能只是公司或家庭内部的电脑之间传送资料而已呢？一般公司通常都有数百台电脑，有时候只是在公司内部传送资料，何必一定要用真实 IP？更何况真实 IP 是要付费的，如果每台电脑都要使用一个也太浪费了。

当资料封包只是在公司内部的电脑之间传送的时候，使用私有 IP（内部 IP）就可以了；当封包要传送到公司外部的互联网时，再经由一台服务器指定真实 IP（外部 IP）给这个封包使用，这台可以更改封包 IP 位址的服务器称为“网络位址转译服务器（Network Address Translation，NAT server）”，是网络防火墙最重要的成员，不但可以减少真实 IP 的使用量，也可以隔绝公司的内部与外部网络让公司内部的网络更安全。

由网络位址分配组织（IANA）建议保留给私人网络使用的私有 IP（内部 IP）位址包括三个等级，大家在一般的机关团体常常看到的 IP 位址 192.168.X.X，可用 IP 位址为 192.168.0.0~192.168.255.255，其实就是其中一个等级的私有 IP（内部 IP），只能提供公司内部使用，每一家不同的公司都可以自由地重覆使用这些私有 IP，但是资料封包要传送到公司外部的互联网时，必须经由一台 NAT 服务器指定一个真实 IP（外部 IP）给这个封包使用，这样互联网上的节点（路由器或闸道器）才会认得，封包也才能传送到目的地。

彻底解决 IP 不足的问题：IPv6

虽然公司内部可以使用私有 IP（内部 IP），不需要让每台连接网络的电脑都拥有一个真实 IP（外部 IP），但是随着互联网的发展，一定还是会面临真实 IP 不够使用的问题，因此早在 1990 年开始，互联网工程任务小组（Internet Engineering Task Force，IETF）就开始规划 IPv6 位址，采用十六进位，其格式为“FEDC：BA98：7654：3210：0000：0000：0000：FEDC”如图三所示，转换成二进位总共有 128 位（bit），相当于 16 位组（Byte），总共可以提供 2¹²⁸ 个 IP 位址，那么 2¹²⁸ 到底是多少呢？不必算了，因为那是一个庞大的天文数字。

IPv6 位址的格式。

IPv6 会制定这么多的 IP 位址，主要是考虑到人类未来所有的电子产品可能都要连接网络，其实就是“物联网（Internet of Things，IoT）”的概念，包括：智能手机、网络冰箱、网络电锅，甚至网络电视机（可以经由网络传送电视节目）、网络冷气机（可以在回家之前先经由网络将冷气打开）等应用，每一种电子产品都要上网当然就需要更多的 IP 位址。

问题是目前许多的互联网上的节点（路由器或闸道器）与用户端设备都不认得 IPv6 位址，而且根据统计，到 2014 年底网络上仍然有 95% 的资料封包是使用 IPv4 位址，现在 IPv4 位址用尽，接下来将会面对一段时间的过渡期，事实上科学家有考虑到这种情况，因此在 IPv6 位址里定义了相容于 IPv4 位址的格式，让支持 IPv6 位址的节点可以向下相容于 IPv4 位址，让两种不同格式的位址并存，由于 IPv4 转换到 IPv6 位址需要时间，因此企业应该提早准备部署 IPv6 位址才能跟得上未来的互联网世界。

（首图来源：Flickr/Daan BergCC BY 2.0）

延伸阅读：

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