利用 HD-Ratio 作 IPv4 位址使用管理之研究
陳式偉 顧靜恆 呂愛琴 曾憲雄
財團法人台灣網路資訊中心
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摘要
本文將探討國內 ISP ( Internet Service Provider ) 對於 IPv4 位址之使用規劃與分配管理之現況研 究，首先透過問卷調查了解 ISP 在規劃切分 IPv4 位 址時之考量條件，蒐集 ISP 之位址管理模式，並分 析造成於網段中遺留未能使用網段的原因。為因應 此種現象，本文提出利用「HD-Ratio」作 IPv4 位址 使用管理之政策研究。透過問卷調查蒐集 ISP 對於 「HD-Ratio」為發放管理政策之傾向，並分析對國 內 ISP 使用 IPv4 位址及對網際網路發展趨勢的影 響。 關鍵詞：
IPv4, IPv6, HD-Ratio, RIR, NIR, LIR。
1. 前言
網際網路資源分配以階層式架構進行，由全球 各地的管理單位負責維護資源的公平分配，如圖
1
。結構最頂層的 ICANN (The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) 在亞太區、北美 洲、拉丁美洲、非洲及歐洲各核准了一個 RIR (Regional Internet Registry)，由 RIR 負責該地區資 源的分配與管理。以亞太地區來說，RIR 可透過 NIR (National Internet Registry) 將資源發放給 LIR (Local Internet Registry，一般皆為 ISP) ，LIR 再 將資源指定分發給其客戶。如此階層式的組織不但 使得資源分配及管理更有效率，也可避免資源過度 集中，避免不公平的資源分配。負責亞太地區網路資源分配管理單位亞太網 際 網 路 資 訊 中 心 (APNIC, Asia Pacific Network Information Center)，為使網路資源更能有效與保守 (conservation) 使 用 ， 制 定 了 「 IPv4 位 址 分 配 (allocation)與管理政策」，讓亞太地區之 LIR 申請 IPv4/IPv6 位址有依循的標準。[4]
圖 1 Internet Registry Structure
2. IPv4/IPv6 位址申請與使用計算方式
2.1 位址申請台灣網路資訊中心(TWNIC)為亞太地區六個 NIR 之一，負責台灣地區網路資源如 IPv4, IPv6 及 ASN 之申請、分配與管理。
依據 APNIC 制定的「IPv4 位址分配與管理政 策」，要求 LIR 在分發(assignment) IPv4 位址給其客 戶後，須登錄客戶資料至 TWNIC WHOIS 資料庫， TWNIC 會依據 WHOIS 資料統計該 IP 代理發放單 位之 IPv4 網段使用率。 管理政策中規定了 IPv4 位址使用率的計算， 申請新 IPv4 位址的首要標準是 IPv4 使用率須達到 80%以上，故 IPv4 使用率的達成，會影響該 LIR 是 否順利取得後續申請的 IPv4 網段。[4] 2.2 現行 IPv4 位址使用率計算方式 衡量每個 ISP 的 IPv4 位址使用率的算法 是，將以已配發給使用者的 IPv4 位址總數為分子 (x) ， ISP 擁有的全部 IPv4 位址為分母 (y) ，將 x 直接除以 y 後，得到的百分率就是 ISP 的 IPv4 位址使用率，如圖 2，依據全球 IPv4 位址管理的 規定， ISP 欲申請新ㄧ段的 IPv4 位址時，其 IPv4 位址的使用率須超過 80% 。 IANA APNIC LACNIC RIPE NCC ARIN AFRINIC ISP NIR LIR LIR ISP ISP LIR
National Internet Registry TWNIC, JPNIC, CNNIC KRNIC, VNNIC, APJII
Local Internet Registry
Internet Service Provider RIR
圖 2 IPv4 使用率計算公式
2.3 HD-Ratio 計算方式
HD-Ratio(Host Density)是 以 Host 密 度 計 算 ， 是 IPv6 位 址 之 使 用 率 的 計 算 方 式 (簡 稱 HD )[1]，亦 即 將 已 配 發 給 使 用 者 的 IP 位 址 總 數 為 分 子 (x)，ISP 擁 有 的 全 部 IP 位 址 為 分 母 (y)， 分 子 與 分 母 皆 取 對 數 (log x /log y)
後 相 除 的 數 學 演 算 法，如圖 3。 圖 3 HD 使用率計算公式 若 取 HD-Ratio 為 固 定 值 時，則 網 段 愈 大 者 ， 其 換 算 之 使 用 率 愈 小 ， 反 之 ， 若 網 段 愈 小 者 ， 則 其 換 算 之 使 用 率 會 較 大 網 段 者 高 。 以 /20 網 段 為 例，若 當 HD-Ratio=0.96 時，其 換 算 使 用 率 為 80%；但 /8 的 網 段，若 HD-Ratio 同 樣 為 0.96， 換 算 其 使 用 率 僅 為 51%， 見 表 1。 [2] 表 1 HD-Ratio 與 80%使用率關係表 IPv4 位址數 量(Prefix) IPv4 位址數量 (/24) Dept h 使用 率 HD-Ratio /24~/20 1 ~ 16 1 80% 0.96-0.97 /20~/16 16~256 1.5 72% 0.96-0.97 /16~/12 256~4096 2 64% 0.96-0.97 /12~/8 4096~65536 2.5 57.2% 0.96-0.97 /8~/4 65536~1048576 3 51.2% 0.96-0.97
3. ISP 網路資源規劃與管理調查分析
ISP 取得 IPv4 位址後，複雜的分配管理須先考 量自身的網路架構、網路服務項目、客戶數量、使 用設備、POP 數(Present of Point)及備援計畫等因 素，規劃 IPv4 位址的使用；此位址規劃計畫對於 ISP 是否可以有效及保守 (Conservation) 使用、網 路位址路由之聚集(Aggregation) 及使用率達成等有 相當大的影響。 申請新 IP 位址時，未能達到原擁有的 IP 位址 80%的使用率，以致發生申請延遲或需要特殊處理 的情況，歸納可能原因包括大型 ISP 多樣的服務產 品項目、產品用戶的增加、複雜的 IP 位址分配與管 理、以及地理區域服務區域劃分等等因素，進而影 響 ISP 使用率的達成。因此推測多階層式的大型網 路與多樣的商品服務，將直接影響 IP 位址的使用效 率[6]。 為確切瞭解國內 ISP 對於 IPv4 位址使用率政 策的看法、使用規劃，及遭遇的困難，並彙整相關 資料以研究 ISP 使用 IPv4 位址之規劃，台灣網路資 訊中心於 2005 年 1 月初進行「 HD-Ratio 使用率 政策調查」的問卷設計，並進行為期 2 個星期的 問卷調查。訪問對象是 TWNIC IP 代理發放單位成 員 (ISP)55 家，以及 2 家位於台灣的 APNIC 會 員總共 57 家，至 1 月 31 日止共回收 35 份問 卷，回收率約 65%。 台灣網路資訊中心以問卷調查方式進行研究 的優勢是，台灣網路資訊中心為主管國內 IPv4 位址 申請與管理維護的單位，具有中立、公正及超然立 場，平時與國內 ISP 皆有密切的聯繫與技術交流， 較易取得國內各 ISP 之信任及更詳實之資料，以進 行交叉比對分析，探討研究國內 ISP 使用 IPv4 位址 之狀況、行為及對現行 IPv4 位址管理政策之意見。 問卷內容包括四部份，首先闡述本問卷的目 的，及解釋網路管理政策更動之影響，第二部分是 與受訪單位確認基本資料，如聯繫窗口與擁有的 IP 位址等，第三部分則介紹 HD-Ratio 基本原理、現 行政策與如何計算其差異，最後部份是 11 題的問卷 問題。 經統計 ISP 規劃分配使用 IPv4 位址時，最先需 要考量的是「服務項目」佔 40%，第二多的是「客 戶數」佔 27%，第三位是「POP 數」佔 21%，如圖 4；表示 ISP 在劃分 IP 網段時，認為「服務項目」 是主要因素，「客戶數」與「POP 數」為次要考量。 服務項目 40% 客戶數 27% POP 數 21% 設備限制 12% 圖 4 ISP 切分網段考量因素比例 [8] Log (LIR核發IP位址總數)────────────────
Log (LIR申請取得IP位址總數)=
HD LIR核發IPv4位址總數─────────────
LIR申請取得IP位址總數=
IPv4使用率3.1 IPv4 網段破碎原因分析 客戶剩餘網段或服務終止的網段，此種不連續 的 IPv4 位址網段散佈於各個 IP 位址網段中，遂形 成「破碎」的小網段，造成無法整體再應用於其他 服務的現象，是 ISP 未能達到使用率 80%的主要原 因。分析造成網段「破碎」的因素包括 1.IP 網段的 規劃管理，2.服務項目的客戶數變化，3.新服務項 目產生； 依據 ISP 擁有 IPv4 位址的多寡進行分析，得 到「IP 網段的規劃管理」對於 IP 數小於/16 的 ISP 影響最大；但「新服務項目的產生」對於 IP 數大於 /12 的 ISP 影響最大，如圖 5。 0% 20% 40% 60% 80% 100% /20<=I P</18 /18<=I P</1 6 /16<=I P</14 /14<=I P</12 IP>=/ 12 服務項目的客戶數變化 IP 規劃管理 新服務項目產生 圖 5 未能達到使用率 80%的因素(以 IP 數分類) [8] 依據 ISP 擁有的 POP 數的多寡進行分析，得到 「IP 網段的規劃管理」對於 POP 數小於 10 的 ISP 影響最大；且「服務項目的客戶變化」對於擁有 POP 數愈多的 ISP 影響愈大，而對擁有 POP 數介於 30 與 20 的 ISP 影響最大，如圖 6。 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1<=P OPs< 5 5<=P OPs <10 10<= POPs< 20 20<= POP s<30 POPs >=3 0 服務項目的客戶數變化 IP 規劃管理 新服務項目產生 圖 6 未能達到使用率 80%的因素(以 POP 數分類) [8] 由以上得知，「服務項目的客戶數變化」與「IP 規劃管理」是未能達到使用率 80%的主要因素。其 中「服務項目的客戶數變化」造成的結果是，會讓 原先切分的網段因服務的客戶數變小，造成某段網 段未能使用，殘留於其中，但又不能將此整個網段 再規劃應用，以致造成網段「破碎」的情形。 「IP 管理規劃」可能造成的結果是，IP 網段初 始規劃時，若 ISP 提供愈多的網路服務或有不同的 區域的需求，因規劃管理問題，會對 IP 網段切分成 不連續的網段，同樣會造成網段「破碎」的情形； 此時,若 ISP 為因應市場服務的需求，急需 IP 位址 使用時，將會因其未能達到使用率 80%，而不能申 請 IPv4 位址。 3.2 HD-Ratio 應用於 IPv4 位址 為了使 ISP 在使用 IPv4 位址時，能不因提供的 服務、地域分佈與市場變化等因素，影響後續 IPv4 位址的申請，同時亦為兼顧網路資源發放的標準性 與公平性，APNIC 考慮以 HD-Ratio 的計算方式， 應用於 IPv4 位址使用率的計算[5]，而 HD-Ratio 使 用率計算方式，目前已為 IPv6 位址所採用[3]。 將 HD Ratio 的計算方式應用到現行的 IPv4 位 址時，可能會改變 ISP 申請新的 IPv4 位址的最低要 求位址數量。舉例來說，若一個擁有 65,536 個 IPv4 位址(/16)的 ISP，欲申請新的 IPv4 位址以服務客戶 時，運用現行 IPv4 使用率換算，最少須先配發 52,429 個 IPv4 位址(80%)給使用者，但若以 HD = 0.96 為計算方式時，最少須先配發約 41,943 個 IPv4 位址(約 64%)給使用者即可達到審核標準。 另外，若一個擁有 4,096 個 IPv4 位址(/20)的 ISP，用現行 IPv4 使用率 80%的標準計算，則須先 配發 3,277 個 IPv4 位址給使用者，但若以 HD = 0.96 計算時，則仍須先配發約 3,277 個 IPv4 位址給使用 者，才可達到申請 IPv4 位址的首要標準。由此可 知，以 HD 來計算 IP 位址的使用率，對於擁有較大 量 IPv4 位址的 ISP，則可有較低的百分率，對於擁 有少量 IPv4 位址的 ISP，則仍須維持於 80%的水 準，如圖 7。 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 /20 /19 /18 /17 /16 /15 HD-Ratio=0.96 使用率=80% 圖 7 HD-Ratio 與 80%使用率之 IP 核發數比較圖[8]
故可得知，雖然大小 ISP 皆採用同一計算的標 準如 HD-Ratio = 0.96，但因其採用對數(log)之物理 現象影響，使得擁有大量 IP 位址數量之 ISP，較容 易達到 HD-Ratio 的標準，如以/16 (共 65536 個 IP 位址)為例，HD-Ratio=0.96 須達到 IP 位址之使用到 了 41,943 個 IP 位址，即符合標準，此時使用比例 為 64%；而擁有小量 IP 位址的 ISP，如以/20 (共 4096 個 IP 位址)為例，雖 HD-Ratio 亦為 0.96，但 IP 位 址的使用仍須達 2048 個 IP 位址，始可達到標準， 而此時使用比例為 80%。 3.3 ISP 使用率政策傾向分析 依據 ISP 意見調查統計的結果，國內約有 33% 的 ISP 傾向支持以 HD Ratio 應用於 IPv4 位址的使 用率計算，約有 43%的 ISP 希望保持原 80%的使用 率，而希望降低現行 80%使用率政策佔 21%，所以 整體上有超過 54%的 ISP 願意變更現行的 IPv4 位 址 80%使用率的管理政策。 再經交叉分析得知政策傾向的趨勢為，國內 ISP 擁有的 IPv4 位址愈多愈支持變更使用率計算 為 HD Ratio ， POP 數 建 置 的 愈 多 愈 支 持 使 用 HD-Ratio，另外再由統計得知， ISP 的 POP 數、 提供服務型態(Service 數)以及用戶數的變化是影 響 ISP 能否達到 80% 使用率之主要因素。故可得 知，愈是有大量 IP 位址及 POP 數的大型 ISP，較易 發生未能達成 80%使用率的困難。 3.4 國內影響與發展趨勢 由於現行 IPv4 位址使用率政策的規定，須達到 80%的使用率始可申請下一段的 IPv4 位址。國內亦 曾發生未達使用率，而又急需 IP 位址使用的案例。 這些案例大多是屬於中大型的 ISP，因 ISP 依據提 供的服務與地域性規劃來使用 IP 位址，造成 IP 位 址「多層次」(depth)的切分，如圖 8 或如圖 9。[7] 圖 8 以服務項目(service)規劃切分 IP 位址示意圖 [7] 圖 9 以區域性(Region)規劃切分 IP 位址示意圖 [7] 因客戶數之增減，進而產生 IP 位址不連續破碎 的情況，目前解決方式皆以專案方式向 APNIC 申 請。而一般小型 ISP 所切分的「層次」較少，故較 不易產生破碎的網段，或較易重新使用與控制破碎 的網段，如表 1。[2] 若未來衡量 IPv4 位址的使用率是以 HD-Ratio 為標準，有些 ISP 認為會對現行的 IPv4 位址保守 (Conservation)使用的政策背道而馳，因大型 ISP 較 易達到較低的使用標準，而對於小型 ISP 仍須達到 80%使用率的使用標準，此時大型 ISP 會較小型 ISP 更易閒置 IPv4 位址。所以，對於全球網際網路之業 者而言，愈是大型的 ISP 愈是希望通過修訂管理政 策，將 HD-Ratio 納入成為 IPv4 的政策；較小型的 ISP 則會提出不贊同的意見，認為大型 ISP 在網段 的規劃使用上，要較小型 ISP 更容易閒置更多的 IP 位址。 國際發展的趨勢是，APNIC 已提出建議案並完 成第二階段的意見調查，美洲的 ARIN 與歐洲的 RIPE NCC (RIR)亦已有類似的研究報告與討論。國 內方面則有愈來愈多的 ISP，支持 HD-Ratio 應用於 IPv4 位址管理政策上，其中不乏小型 ISP，但仍須 收集各方對於 IPv4 位址管理政策的意見與建議，加 以討論以形成更大的共識，據以建議修訂 IPv4 位址 發放管理政策。
4. 結論
ISP 在規劃使用 IPv4 位址時，首要考量的是「服 務項目」，其次是「客戶數」及「POP 數」。IPv4 位 址的劃分「層數」往往會依據各個「服務項目」切 分，再由每個「服務項目」依據地域性(Region and POP 數)或客戶數的向下切分，此種「多層次」的位 址劃分結構會隨著某項網路服務的客戶數變化、服 務種類的變化及地域分佈的改變，造成某些小段 IP 網段未能完全使用，而殘留於大網段中，此時 ISP 受殘留網段的限制，不能整合再規劃應用，因此會 發生網段「破碎」的狀況。為因應 ISP 網段發生「破碎」的情況，導致無 法申請 IP 位址的問題，故提出以 HD-Ratio 應用於 IPv4 位址使用率的計算方式，以解決因「多層次」 位址劃分結構所造成的網段「破碎」無法應用的問 題。方法是以設定一標準 HD-Ratio 值為使用率的標 準，應用 HD-Ratio 的特性，讓擁有較多 IPv4 位址 的 ISP (多層次劃分 IP 位址)能有較低的使用比例， 就能達到設定的 HD-Ratio 值，而可繼續申請 IP 位 址，對無法達到使用比例 80%的大型 ISP 提供解決 方案。[1] 有鑑於此，TWNIC 透過以問卷調查的方式及 本身 IP 位址資料庫，蒐集分析各 ISP 的 IPv4 位址 使用狀況與資料，探討 ISP 對於 HD-Ratio 應用於 IPv4 位址網路管理政策的傾向與可能性。問卷統計 的結果是，支持 HD-Ratio 的 ISP 約有 33%，希望 降低使用率的 ISP 也約有 21%，未發生網段「破碎」 不希望改變現在標準的 ISP 約有 43%，故有超過一 半的 ISP 是希望變更現行使用率政策；再經交叉分 析得知，擁有 IPv4 位址的數量愈多的 ISP ，愈支 持 HD-Ratio 應用於 IPv4 位址使用率的計算，且建 置愈多 POP 數量的 ISP，也愈支持 HD-Ratio 應用 於 IPv4 位址。 國際上幾個區域級網際網路組織(RIR)，亦已開 始研究「HD-Ratio 應用於 IPv4」的建議案，而國 內則有超過 50%以上的 ISP 對於現行「80%使用率」 政策是希望改變或降低的，而 HD-Ratio 是未來可能 較被接受的一種計算方式，故此議題仍需再匯集各 方意見，以取得較多的共識，進而支持 APNIC 修 訂以「HD-Ratio」應用於 IPv4 位址使用率的管理政 策。
參考文獻
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[4] APNIC document ： ”Policies for IPv4 address space management in Asia Pacific Region”, [IPv4-address-policy],
http://www.apnic.net/docs/policy/add-manage-poli cy.html
[5] APNIC Secretariat：”Application of HD-Ratio to
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[6] Paul Wilson, APNIC Secretariat, “Application of the HD-Ratio to IPv4”, 7 August 2003, http://www.apnic.net/meetings/16/programme/sigs /docs/policy/addpol-doc-wilson-hd-ipv4.txt
[7] APNIC Secretariat ： ”LIR Survey – Current Practices in managing IPv4 Address Space”, May 2005.
[8] David Shi-Wei Chen, TWNIC Staff, “A survey of ISPs in Taiwan for applying HD ration to IPv4”,
Feb 2005. http://www.apnic.net/meetings/19/programme/sigs
