IPv4地址资源不足不是近期才出现的问题。互联网设计初期，没人预估后续联网设备的规模。32位地址空间合计大约43亿个地址，看着数量充足，手机、电脑、服务器、摄像头、电视、智能冰箱、路灯都需要分配地址，资源早就耗尽。实际可用地址总量还要更少，早期分配方式造成大量浪费。NAT技术暂时缓解这个问题，多台内网设备共用单个公网IP。看似解决地址短缺，但也破坏互联网原生端到端模型。外部网络想要主动访问内网设备，就必须经过NAT，端口映射、穿透打洞这类复杂操作随之而来。
IPv6就是用来替换这套旧地址体系。地址长度从32位扩展到128位，书写格式为八组十六进制数字，使用冒号分隔，示例2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。地址空间规模极大，有估算，地球上每一粒沙子都可以分配独立IP，地址还有富余。地址充足之后，NAT不再是必需组件。每台设备都能分配全球唯一地址，外部网络可以直接访问设备，端到端通信恢复。对于P2P、物联网、远程访问场景，属于底层层面的改变。
IPv6不只是加长地址位数，报文头部结构重新设计。IPv4报文头部包含大量可选字段，增加路由器处理负担。IPv6把可选功能放到扩展报头，基础报头固定40字节，路由器只解析必要信息，转发效率提升。IPv6取消广播机制，替换为多播和任播，减少无效流量。地址配置支持自动化，设备接入网络之后依靠无状态地址自动配置SLAAC生成地址，不部署DHCP服务器也可以联网。邻居发现协议替代ARP，工作在网络层，架构更简洁。
安全层面，IPsec属于IPv6原生内置能力，虽然不强制开启，但协议设计阶段就纳入体系。IPv4环境IPsec属于附加组件，兼容性和部署难度更高。流标签字段为QoS预留支持，音视频这类需要优先级区分的流量可以添加标记，中间网络设备识别更快。
为什么不继续在IPv4上做补丁，一定要升级协议？NAT确实延长IPv4的生命周期，但带来的代价持续增加。运营商级NAT层层嵌套，用户拿到的不再是公网IP，在内网搭建服务对外访问难度很大。不少应用协议在NAT环境下异常，需要配套ALG或是穿透方案，开发成本高，稳定性差。路由表持续膨胀，IPv4地址碎片化严重，骨干路由器存储路由条目越来越多，长期会达到承载上限。
移动互联网和物联网把地址短缺问题推向临界点。手机、平板、智能手表、车机、室内传感器都需要独立地址。IPv4存量地址无法满足需求，运营商只能大规模部署NAT，用户侧网络环境变得复杂，多项功能受限。IPv6充足地址空间，每台设备都能拥有独立标识，不用挤在NAT内网。
协议过渡无法一次性完成。现阶段主流方案是双栈，设备同时运行IPv4和IPv6，优先使用IPv6，访问失败自动回落IPv4。隧道技术把IPv6报文封装在IPv4报文中，实现不同IPv6孤岛互通。NAT64和DNS64用来让纯IPv6设备访问IPv4资源。这些机制保障新旧协议共存，但增加运维复杂度。完全纯IPv6环境还在逐步落地，运营商骨干网、移动网络、大型数据中心推进速度更快，家庭宽带和企业内网进度偏慢。
日常使用感受上，很多手机网络已经启用IPv6。打开支持IPv6的网站，流量就走新协议，用户不会有直观感知。查看IP地址，一长串带冒号的十六进制字符就是IPv6地址。IPv4升级到IPv6不只是版本号更新，是互联网地址体系、路由机制、自动配置、安全模型整体重构。升级过程繁琐，但不升级，后续设备增长和业务形态会被IPv4地址瓶颈限制。