Địa chỉ IPv6 (Internet protocol version 6) là thế hệ địa chỉ Internet phiên bản mới được thiết kế để thay thế cho phiên bản địa chỉ IPv4 trong hoạt động Internet. Địa chỉ IPv4 có chiều dài 32 bít, biểu diễn dưới dạng các cụm số thập phân phân cách bởi dấu chấm, ví dụ 203.119.9.0. IPv4 là phiên bản địa chỉ Internet đầu tiên, đồng hành với việc phát triển như vũ bão của hoạt động Internet trong hơn hai thập kỷ vừa qua. Với 32 bit chiều dài, không gian IPv4 gồm khoảng 4 tỉ địa chỉ cho hoạt động mạng toàn cầu.

Do sự phát triển như vũ bão của mạng và dịch vụ Internet, nguồn IPv4 dần cạn kiệt, đồng thời bộc lộ các hạn chế đối với việc phát triển các loại hình dịch vụ hiện đại trên Internet. Phiên bản địa chỉ Internet mới IPv6 được thiết kế để thay thế cho phiên bản IPv4, với hai mục đích cơ bản:

• Thay thế cho nguồn IPv4 cạn kiệt để tiếp nối hoạt động Internet.   
• Khắc phục các nhược điểm trong thiết kế của địa chỉ IPv4.

Địa chỉ IPv6 có chiều dài 128 bít, biểu diễn dưới dạng các cụm số hexa phân cách bởi dấu ::, ví dụ 2001:0DC8::1005:2F43:0BCD:FFFF. Với 128 bít chiều dài, không gian địa chỉ IPv6 gồm 2128 địa chỉ, cung cấp một lượng địa chỉ khổng lồ cho hoạt động Internet.

IPv6 được thiết kế với những tham vọng và mục tiêu như sau:

• Không gian địa chỉ lớn hơn và dễ dàng quản lý không gian địa chỉ.
• Khôi phục lại nguyên lý kết nối đầu cuối-đầu cuối của Internet và loại bỏ hoàn toàn công nghệ NAT
• Quản trị TCP/IP dễ dàng hơn: DHCP được sử dụng trong IPv4 nhằm giảm cấu hình thủ công TCP/IP cho host. IPv6 được thiết kế với khả năng tự động cấu hình mà không cần sử dụng máy chủ DHCP, hỗ trợ hơn nữa trong việc giảm cấu hình thủ công.
• Cấu trúc định tuyến tốt hơn: Định tuyến IPv6 được thiết kế hoàn toàn phân cấp.
• Hỗ trợ tốt hơn Multicast: Multicast là một tùy chọn của địa chỉ IPv4, tuy nhiên khả năng hỗ trợ và tính phổ dụng chưa cao.
• Hỗ trợ bảo mật tốt hơn: IPv4 được thiết kế tại thời điểm chỉ có các mạng nhỏ, biết rõ nhau kết nối với nhau. Do vậy bảo mật chưa phải là một vấn đề được quan tâm. Song hiện nay, bảo mật mạng internet trở thành một vấn đề rất lớn, là mối quan tâm hàng đầu.
• Hỗ trợ tốt hơn cho di động: Thời điểm IPv4 được thiết kế, chưa tồn tại khái niệm về thiết bị IP di động. Trong thế hệ mạng mới, dạng thiết bị này ngày càng phát triển, đòi hỏi cấu trúc giao thức Internet có sự hỗ trợ tốt hơn.

1. Không gian địa chỉ gần như vô hạn:

IPv6 có chiều dài bít (128 bít) gấp 4 lần IPv4 nên đã mở rộng không gian địa chỉ từ khoảng hơn 4 tỷ (4.3 * 10⁹) lên tới một con số khổng lồ (2¹²⁸ = 3.3*10³⁸). Một số nhà phân tích cho rằng, chúng ta không thể dùng hết địa chỉ IPv6.

2. Khả năng tự động cấu hình (Plug and Play)

IPv6 cho phép thiết bị IPv6 tự động cấu hình các thông số phục vụ cho việc nối mạng như địa chỉ IP, địa chỉ gateway, địa chỉ máy chủ tên miền khi kết nối vào mạng. Do vậy đã giảm thiểu việc phải cấu hình nhân công cho thiết bị so với công việc phải thực hiện với IPv4. Các thao tác cấu hình này có thể không phức tạp đối với máy tính song với nhu cầu gắn địa chỉ cho một số lượng lớn các thiết bị như camera, sensor, thiết bị gia dụng… sẽ phải tiêu tốn nhiều nhân công và khó khăn trong  quản lý.

3. Khả năng bảo mật kết nối từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận (đầu cuối – đầu cuối)

Địa chỉ IPv6 được thiết kế để tích hợp sẵn tính năng bảo mật trong giao thức nên có thể dễ dàng thực hiện bảo mật từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận (đầu cuối – đầu cuối). IPv4 không hỗ trợ sẵn tính năng bảo mật trong giao thức, vì vậy rất khó thực hiện bảo mật kết nối từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận. Hình thức bảo mật phổ biến trên mạng IPv4 là bảo mật kết nối giữa hai mạng.

Hình 1: Thực hiện bảo mật kết nối giữa hai mạng trong IPv4

Hình 2: Thực hiện bảo mật kết nối từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận trong IPv6.

4. Quản lý định tuyến tốt hơn

IPv6 được thiết kế có cấu trúc đánh địa chỉ và phân cấp định tuyến thống nhất, dựa trên một số mức cơ bản đối với các nhà cung cấp dịch vụ. Cấu trúc phân cấp này giúp tránh khỏi nguy cơ quá tải bảng thông tin định tuyến toàn cầu khi chiều dài địa chỉ IPv6 lên tới 128 bít. Trong khi đó, sự gia tăng của các mạng trên Internet, số lượng IPv4 sử dụng, và việc IPv4 không được thiết kế phân cấp định tuyến ngay từ đầu đã khiến cho kích thước bảng định tuyến toàn cầu ngày càng gia tăng, gây quá tải, vượt quá khả năng xử lý của các thiết bị định tuyến.

5. Dễ dàng thực hiện Multicast

Các kết nối giữa máy tính tới máy tính trên Internet để cung dịch vụ mạng hiện tại hầu hết là kết nối Unicast (kết nối giữa một máy tính nguồn và một máy tính đích). Để cung cấp dịch vụ cho nhiều khách hàng, máy chủ sẽ phải mở nhiều kết nối tới các máy tính khách hàng (Hình 3.a)

Nhằm tăng hiệu năng của mạng, tiết kiệm băng thông, giảm tải cho máy chủ, công nghệ multicast được thiết kế để một máy tính nguồn có thể kết nối đồng thời đến nhiều đích (Hình 3.b). Từ đó thông tin không bị lặp lại, băng thông của mạng sẽ giảm đáng kể, đặc biệt với các ứng dụng truyền tải thông tin rất lớn như truyền hình (IPTV), truyền hình hội nghị (video conference), ứng dụng đa phương tiện (multimedia).

 Hình3.a: Kết nối Unicast                                                   Hình 3.b: Kết nối Multicast

Trên thực tế, cấu hình và triển khai multicast với IPv4 rất khó khăn, phức tạp trong khi đối với IPv6 thì việc này dễ dàng hơn nhiều.

6. Hỗ trợ cho quản lý chất lượng mạng

Những cải tiến trong thiết kế của IPv6 như: không phân mảnh, định tuyến phân cấp, gói tin IPv6 được thiết kế với mục đích xử lý thật hiệu quả tại thiết bị định tuyến tạo ra khả năng hỗ trợ tốt hơn cho chất lượng dịch vụ QoS.