IPv4协议仅能提供约2.5亿个IP地址， 即使使用CIDR和NAT等技术进行扩展也无法满足日益增长的需要。
IETF于1996年开始研究下一代IP协议IPv6， 并于1998年12月正式公布(RFC2460).至2014年10月，通过IPv4使用Google服务的用户仍占约95%。
IPv6除将IP地址由32位扩展到128位以外还引入了更多扩展：
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扩展的地址层次结构
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灵活的首部格式
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改进的选项
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允许协议继续扩充
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支持即插即用（即自动配置地址）
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支持资源的预分配
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IPv6首部改为8字节对齐
IPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为结点，IIPv6 地址分配给结点上的接口。一个结点可以有多个单播地址，结点任一接口的单播地址可用来唯一地标志该结点。
IPv6地址可以采用点分16进制记法：
68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF
一串连续的0可以被::取代， 为了避免二义性一个地址中最多出现一次:::
FF05:0:0:0:0:0:0:B3 -> FF05::B3
128位全0地址(缩写::)代替｀0.0.0.0｀来表示任意地址,本地环回地址为::1.以及本地链路单播地址FE80::/10。
IPv6把前三位为001的地址划分为全球单播地址，并将单播地址分为3级：
- 全球路由选择前缀，占 48 位
- 子网标识符，占16 位
- 接口标识符，占 64 位
IPv6 把原来 IPv4 首部中选项的功能都放在扩展首部中，并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理。IPv6支持的扩展首部包括:
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逐跳选项
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路由选择
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分片
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鉴别
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封装安全有效载荷
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目的站选项
除逐跳选项扩展首部外， 数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部.
IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：
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单播(unicast): 单播就是传统的点对点通信。
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多播(multicast): 多播是一点对多点的通信。
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任播(anycast): IPv6 增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付其中的一个，通常是距离最近的一个。
IPv6把分片限制为由源站来完成, IPv6可以保证的最小MTU（Maximum Transfer Unit) 为1280字节。分片是端到端的，路径途中的路由器不允许进行分片。
源站也在发送数据前完成路径最大传送单元发现(Path MTU Discovery)，以确定沿着该路径到目的站的最小 MTU。
端到端分片可以减少路由器的开销，允许路由器在单位时间处理更多的数据报。但是中间路由器不能轻易地改变路由，因为改变路由可能会改变路径的MTU。
IPv6允许中间路由器采用隧道技术来传送太长的数据报。当路径途中的路由器需要对数据报进行分片时，就创建一个全新的数据报，然后将这个新的数据报分片，并在各个数据报片中插入扩展首部和新的基本首部。
路由器将每个数据报片发送给最终的目的站，而在目的站将收到的各个数据报片收集起来，组装成原来的数据报，再从中抽取出数据部分。