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IPv6是网络层协议的第二代标准协议，它是IETF设计的一套规范，是IPv4的升级版本。
IPv4协议是目前广泛部署的互联网协议。在互联网发展初期，IPv4以其协议简单、易于实现、互操作性好的优势而得到快速的发展。但随着互联网的迅猛发展，IPv4 的不足也日益凸显，例如地址空间不足、处理报文头及报文选项的复杂度高、地址维护工作量大、路由聚合效率低、对安全/QoS/移动性等问题缺乏有效的解决方案等。
IPv6的出现有针对性地解决了IPv4 的一些问题。在地址空间方面，IPv4地址采用32bit标识，理论上能够提供的地址数量约为43亿个。另外，IPv4 地址的分配也很不均衡，美国拥有的IPv4地址占全球地址空间的一半左右，欧洲则相对匮乏，亚太地区则更加匮乏。
与此同时，移动IP和宽带技术的发展需要更多的IP地址。目前IPv4地址已经消耗殆尽。针对IPv4地址短缺的问题，也曾先后出现过几种解决方案。比较有代表性的是CIDR和NAT。但是CIDR和NAT都有各自的缺点和不能解决的问题，由此推动了IPv6的发展。IPv6地址采用128 bit标识。128 bit的地址空间使IPv6理论上可以拥有约（43亿x43亿x43亿x43亿）个地址。近乎无限的地址空间是IPv6最大的优势。
在报文处理方面，IPv4 报文头包含Options（可选字段），内容涉及Security、Timestamp和Record Route等，这些Options可以将IPv4报文头长度从20 Byte扩充到60Byte。转发携带这些Options的IPv4报文往往需要中间路由转发设备通过软件处理，会产生很大的性能开销，因此实际中也很少使用。
IPv6和IPv4相比，报文头去除了Internet Header Length、Identifier、Flag、Fragment Offset、Header Checksum、Options 和Padding字段，只增加了流标签字段，因此IPv6相比IPv4极大地简化了对报文头的处理，提高了处理效率。另外，IPv6为了更好支持处理各种选项，提出了扩展报文头的概念，新增选项时不必修改IPv6报文头的结构，理论上可以扩展出无限多种选项，体现了优异的可扩展性。
在地址维护方面，由于IPv4地址只有32 bit, 并且地址分配不均衡，导致在网络扩容或重新部署时，经常需要重新分配IP地址，因此需要一种能够对IP地址进行自动配置和重新编址的机制，以减少维护工作量。目前IPv4的自动配置和重新编址机制主要依靠DHCP。IPv6协议内置了通过地址自动配置方式使主机自动发现网络并获取IPv6地址的机制，大大提高了内部网络的可管理性。
在路由聚合方面，由于IPv4发展初期的地址分配规划问题，造成许多已分配的IPv4地址不连续，不能有效聚合路由。日益庞大的路由表耗用大量内存，对设备容量和转发效率产生影响，这一问题促使设备制造商不断升级其产品，以提高路由寻址和转发性能。IPv6 巨大的地址空间使得IPv6可以方便地进行层次化网络部署。层次化的网络结构使路由聚合更为容易，提高了路由转发的效率。
在端到端安全方面，在制定IPv4协议时，缺乏针对安全性的系统设计，因此固有的框架结构并不能支持端到端的安全。IPv6中，网络层支持IPsec的认证和加密，支持端到端的安全。
在保障QoS方面，随着网络会议、网络电话、网络电视的迅速普及与使用，客户要求有更好的QoS来保障音视频业务实时转发，但IPv4并没有专门的手段保障QoS。IPv6新增了流标记字段，可以用于保障QoS。
在对移动性的支持方面，移动IPv4存在一些问题，例如三角路由、源地址过滤等。IPv6协议规定其必须支持移动性。与移动IPv4相比，移动IPv6使用邻居发现功能可直接发现外部网络并得到转交地址，而不必使用外部代理。同时，利用路由扩展报文头和目的选项扩展报文头，移动节点和对等节点之间可以直接通信，解决了移动IPv4三角路由、源地址过滤问题，使得移动通信处理效率更高，且对应用层透明。
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