IPv4 là gì? Giải thích chi tiết Giao thức Internet phiên bản 4

Chào bạn, tôi là WiWeb, chuyên gia thiết kế Website tại WiWeb.vn. Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau khám phá một chủ đề nền tảng nhưng cực kỳ quan trọng trong thế giới Internet: IPv4 là gì?. Dù bạn đang xây dựng website, quản trị mạng hay đơn giản là người dùng Internet tò mò, việc hiểu rõ Giao thức Internet phiên bản 4 này sẽ mang lại cái nhìn sâu sắc về cách thế giới trực tuyến vận hành. Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về IPv4, từ khái niệm cơ bản, vai trò, cách hoạt động, những thách thức và cả tương lai của nó. Hãy cùng WiWeb đi sâu vào từng khía cạnh nhé!

IPv4 là gì? Giới thiệu Giao thức Internet phiên bản 4

Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào máy tính của bạn có thể gửi email cho bạn bè ở nửa vòng trái đất, hay làm sao bạn truy cập được vào website WiWeb.vn không? Câu trả lời nằm ở một thành phần cốt lõi của Internet: Giao thức Internet phiên bản 4, hay còn gọi tắt là IPv4. Hãy hình dung IPv4 giống như hệ thống địa chỉ bưu chính cho thế giới số. Nó là phiên bản thứ tư của Giao thức Internet (Internet Protocol – IP) và là phiên bản đầu tiên được triển khai rộng rãi, đặt nền móng cho Internet mà chúng ta biết ngày nay.

Về cơ bản, IPv4 là một bộ quy tắc xác định cách dữ liệu được đóng gói, định địa chỉ, truyền tải, định tuyến và nhận trên các mạng máy tính. Khi bạn gửi hoặc nhận thông tin qua Internet, dữ liệu đó được chia thành các gói nhỏ. Mỗi gói này chứa thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ IP nguồn (thiết bị của bạn) và địa chỉ IP đích (máy chủ hoặc thiết bị bạn đang liên lạc). IPv4 chính là giao thức cung cấp cơ chế định địa chỉ IP (IP Address) duy nhất cho các thiết bị tham gia vào mạng, giúp các gói tin này biết đường đi đến đúng nơi nhận. Được chuẩn hóa lần đầu trong RFC 791 vào năm 1981, IPv4 sử dụng hệ thống địa chỉ IPv4 32-bit, tạo ra một không gian địa chỉ với khoảng 4.3 tỷ địa chỉ duy nhất. Con số này từng có vẻ khổng lồ, nhưng bạn sẽ thấy ở phần sau, nó lại trở thành một thách thức lớn. Hiểu IPv4 là gì chính là bước đầu tiên để nắm bắt cách Internet kết nối hàng tỷ thiết bị trên toàn cầu.

Vai trò và chức năng chính của IPv4

Vậy, IPv4 thực sự làm những gì? Vai trò của nó không chỉ dừng lại ở việc cấp phát địa chỉ. Hãy xem xét các chức năng chính giúp Internet hoạt động trơn tru:

1. Định danh duy nhất (Unique Identification): Đây là chức năng cơ bản và quan trọng nhất. IPv4 cung cấp một địa chỉ IP (IP Address) duy nhất cho mỗi thiết bị kết nối vào mạng Internet (hoặc ít nhất là trong một mạng cụ thể). Giống như số nhà giúp người đưa thư tìm đúng nhà bạn, địa chỉ IPv4 giúp các gói dữ liệu tìm đúng máy tính, điện thoại, máy chủ hay bất kỳ thiết bị nào khác.

2. Đóng gói dữ liệu (Data Encapsulation): Trước khi dữ liệu được gửi đi, IPv4 đóng gói nó thành các đơn vị nhỏ hơn gọi là ‘datagram’ hay ‘packet’. Mỗi gói tin này không chỉ chứa dữ liệu thực tế mà còn có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển quan trọng như địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, phiên bản IP (là 4), độ dài gói tin, thời gian sống (TTL – Time To Live) và các thông tin khác cần thiết cho việc định tuyến mạng.

3. Định tuyến (Routing): Đây là quá trình xác định đường đi tốt nhất cho các gói tin từ nguồn đến đích qua nhiều mạng khác nhau. Các thiết bị chuyên dụng gọi là Router (bộ định tuyến) sử dụng thông tin địa chỉ IPv4 đích trong phần header của gói tin để quyết định nên chuyển tiếp gói tin đó đến đâu tiếp theo. Quá trình này lặp đi lặp lại qua nhiều router cho đến khi gói tin tới được mạng đích.

4. Phân mảnh và Tái hợp (Fragmentation and Reassembly): Các mạng khác nhau có thể có giới hạn kích thước gói tin tối đa (MTU – Maximum Transmission Unit) khác nhau. Nếu một gói tin IPv4 quá lớn để đi qua một mạng cụ thể, nó có thể được phân thành các mảnh nhỏ hơn. Các mảnh này sẽ được đánh dấu để thiết bị nhận có thể tập hợp chúng lại theo đúng thứ tự ban đầu.

Nói một cách đơn giản, IPv4 đóng vai trò như người điều phối giao thông và người đưa thư cho Internet, đảm bảo rằng hàng tỷ thiết bị có thể ‘nói chuyện’ với nhau một cách có trật tự và hiệu quả. Thiếu nó, Internet như chúng ta biết sẽ không thể tồn tại.

Cách IPv4 định danh thiết bị: Khái niệm địa chỉ IP

Chúng ta đã nhắc nhiều đến địa chỉ IP (IP Address), vậy nó chính xác là gì và IPv4 tạo ra nó như thế nào? Trọng tâm của khả năng định danh trong IPv4 chính là hệ thống địa chỉ IPv4.

Một địa chỉ IPv4 là một dãy số nhị phân dài 32 bit. 32 bit này cung cấp một không gian địa chỉ với 2^32 khả năng, tức là khoảng 4,294,967,296 địa chỉ duy nhất. Con số này nghe có vẻ lớn, phải không? Vào những năm 80, khi Internet mới bắt đầu, không ai nghĩ rằng chúng ta sẽ cần nhiều hơn thế.

Tuy nhiên, làm việc trực tiếp với một chuỗi 32 số 0 và 1 (ví dụ: 11000000101010000000000100000001) là cực kỳ khó khăn cho con người. Do đó, một định dạng dễ đọc hơn đã được tạo ra: định dạng thập phân có dấu chấm (dotted-decimal notation). Trong định dạng này:

• Dãy 32 bit được chia thành 4 nhóm, mỗi nhóm 8 bit (gọi là octet).
• Mỗi octet 8 bit được chuyển đổi thành giá trị thập phân tương ứng (từ 0 đến 255).
• Các giá trị thập phân này được viết cách nhau bằng dấu chấm.

Ví dụ, dãy nhị phân 11000000101010000000000100000001 ở trên sẽ được biểu diễn thành 192.168.1.1 trong định dạng thập phân có dấu chấm. Đây chính là dạng địa chỉ IP mà bạn thường thấy khi cấu hình mạng hoặc xem thông tin kết nối.

Mỗi thiết bị kết nối trực tiếp vào Internet cần một địa chỉ IPv4 công cộng (public IP) duy nhất trên toàn cầu. Tuy nhiên, có những dải địa chỉ đặc biệt được dành riêng cho mạng nội bộ (private IP), ví dụ như 192.168.x.x, 10.x.x.x, 172.16.x.x đến 172.31.x.x. Các địa chỉ này không duy nhất trên toàn cầu mà chỉ cần duy nhất trong phạm vi mạng cục bộ đó. Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về cách các địa chỉ private này kết nối ra Internet ở phần NAT là gì.

Việc cấp phát và quản lý các địa chỉ IPv4 công cộng được thực hiện bởi các tổ chức quốc tế như IANA (Internet Assigned Numbers Authority) và các RIR (Regional Internet Registry). Hiểu được cấu trúc và cách hoạt động của địa chỉ IPv4 là nền tảng để hiểu cách các thiết bị tìm thấy nhau trên mạng.

Quy trình định tuyến gói tin trong mạng IPv4

Bạn đã bao giờ thắc mắc làm thế nào một email bạn gửi từ Hà Nội lại đến được người nhận ở New York chỉ trong vài giây? Đó là nhờ vào quá trình định tuyến mạng (network routing), một chức năng cốt lõi được điều khiển bởi IPv4.

Hãy tưởng tượng Internet là một mạng lưới khổng lồ gồm các con đường (kết nối mạng) và các giao lộ (router). Khi bạn gửi dữ liệu (ví dụ: truy cập website WiWeb.vn), dữ liệu đó được chia thành các gói tin IPv4. Mỗi gói tin giống như một bức thư có ghi địa chỉ IPv4 của người nhận (máy chủ WiWeb.vn) và người gửi (máy tính của bạn).

Quy trình định tuyến diễn ra như sau:

1. Gửi đi từ nguồn: Máy tính của bạn gửi gói tin đến router đầu tiên trong mạng của bạn (thường là modem/router Wi-Fi ở nhà hoặc văn phòng).
2. Router kiểm tra địa chỉ đích: Router này nhìn vào địa chỉ IPv4 đích trong phần header của gói tin. Nó không cần biết toàn bộ đường đi, chỉ cần biết bước tiếp theo (next hop) để đưa gói tin đến gần đích hơn.
3. Tra cứu bảng định tuyến: Mỗi router duy trì một bảng định tuyến (routing table). Bảng này giống như bản đồ chỉ đường, chứa thông tin về các mạng khác nhau và cổng/giao diện nào cần sử dụng để đến được mạng đó. Router sẽ tra cứu địa chỉ IPv4 đích trong bảng định tuyến của nó.
4. Chuyển tiếp gói tin: Dựa trên kết quả tra cứu, router sẽ gửi gói tin qua cổng/giao diện thích hợp đến router tiếp theo trên đường đi. Router này không thay đổi địa chỉ IP nguồn và đích gốc của gói tin.
5. Lặp lại quá trình: Gói tin tiếp tục hành trình, nhảy từ router này sang router khác. Tại mỗi ‘giao lộ’, router lại thực hiện việc kiểm tra địa chỉ đích, tra cứu bảng định tuyến và chuyển tiếp gói tin.
6. Đến đích: Cuối cùng, gói tin sẽ đến được router cuối cùng kết nối trực tiếp với mạng chứa thiết bị đích. Router này sẽ gửi gói tin đến địa chỉ IPv4 đích cụ thể.

Quá trình này diễn ra cực kỳ nhanh chóng cho mỗi gói tin. Điều thú vị là các gói tin khác nhau của cùng một luồng dữ liệu có thể đi theo những con đường khác nhau, tùy thuộc vào tình trạng mạng và quyết định của các router tại thời điểm đó. IPv4 cung cấp cơ chế địa chỉ hóa, còn các giao thức định tuyến (như OSPF, BGP) sử dụng thông tin đó để xây dựng và cập nhật bảng định tuyến, đảm bảo việc định tuyến mạng diễn ra hiệu quả. Bạn thấy đấy, định tuyến mạng là một vũ điệu phức tạp nhưng được điều phối nhịp nhàng bởi các quy tắc của IPv4.

Các đặc điểm kỹ thuật nổi bật của IPv4

Giao thức Internet phiên bản 4 (IPv4) không chỉ đơn thuần là việc cung cấp địa chỉ. Nó có những đặc điểm kỹ thuật riêng biệt định hình cách thức hoạt động của phần lớn Internet ngày nay. Hiểu các đặc điểm này giúp chúng ta nhận thức rõ hơn về cả điểm mạnh và điểm yếu của nó.

Dưới đây là một số đặc điểm kỹ thuật chính của IPv4:

• Địa chỉ 32-bit: Như đã đề cập, IPv4 sử dụng địa chỉ IP dài 32 bit, thường được biểu diễn dưới dạng bốn số thập phân cách nhau bởi dấu chấm (ví dụ: 192.168.1.1). Đặc điểm này cung cấp khoảng 4.3 tỷ địa chỉ duy nhất. Đây là đặc điểm định nghĩa cơ bản nhất, nhưng cũng là nguồn gốc của vấn đề cạn kiệt địa chỉ IPv4.
• Giao thức không kết nối (Connectionless Protocol): IPv4 hoạt động theo mô hình không kết nối. Điều này có nghĩa là nó không thiết lập một kết nối cố định giữa người gửi và người nhận trước khi truyền dữ liệu. Mỗi gói tin được xử lý độc lập. Router chỉ cần biết địa chỉ đích để chuyển tiếp gói tin. Việc này giúp đơn giản hóa thiết kế của router và tăng tốc độ xử lý, nhưng không đảm bảo các gói tin sẽ đến đích.
• Nỗ lực tốt nhất (Best-Effort Delivery): IPv4 không đảm bảo rằng các gói tin sẽ đến đích, cũng không đảm bảo chúng đến theo đúng thứ tự hoặc không bị trùng lặp. Nó chỉ cố gắng hết sức để gửi gói tin đi. Việc đảm bảo độ tin cậy (như kiểm tra lỗi, sắp xếp lại thứ tự, yêu cầu gửi lại gói tin bị mất) được giao cho các giao thức lớp trên, điển hình là TCP (Transmission Control Protocol).
• Định dạng Header cố định (với các tùy chọn): Phần đầu (header) của gói tin IPv4 chứa thông tin cần thiết cho việc định tuyến và xử lý. Nó có một cấu trúc tương đối cố định với độ dài tối thiểu 20 bytes, bao gồm địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, phiên bản IP, Time-To-Live (TTL), và một số trường khác. Có thể có thêm các trường tùy chọn (options), nhưng chúng ít được sử dụng và có thể làm phức tạp quá trình xử lý tại router.
• Phân mảnh tại Router: Nếu một gói tin quá lớn so với MTU của một mạng trên đường đi, các router IPv4 có thể thực hiện việc phân mảnh gói tin đó thành các phần nhỏ hơn. Thiết bị nhận cuối cùng sẽ chịu trách nhiệm tái hợp các mảnh này. Việc này có thể làm giảm hiệu năng và tăng khả năng mất mát dữ liệu nếu một mảnh bị thất lạc.

Những đặc điểm này đã giúp IPv4 trở thành nền tảng vững chắc cho Internet trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, chúng cũng bộc lộ những hạn chế, đặc biệt là vấn đề không gian địa chỉ và sự phụ thuộc vào các giao thức lớp trên để đảm bảo độ tin cậy, dẫn đến sự phát triển của IPv6.

Giải mã cấu trúc địa chỉ IPv4: Định dạng thập phân có dấu chấm

Khi nói về địa chỉ IPv4, chúng ta thường gặp dạng xxx.xxx.xxx.xxx, ví dụ như 172.16.254.1 hay 8.8.8.8. Đây chính là định dạng thập phân có dấu chấm (dotted-decimal notation), một cách biểu diễn thân thiện với con người cho địa chỉ IP 32-bit phức tạp bên dưới.

Hãy cùng ‘mổ xẻ’ cấu trúc này:

1. Nền tảng 32-bit: Như đã biết, một địa chỉ IPv4 về bản chất là một dãy số nhị phân gồm 32 chữ số 0 hoặc 1. Ví dụ:
   10101100 00010000 11111110 00000001

2. Chia thành 4 Octet: Để dễ quản lý và đọc, dãy 32 bit này được chia thành 4 phần bằng nhau, mỗi phần gồm 8 bit. Mỗi phần 8 bit này được gọi là một octet (hoặc byte).
   10101100 . 00010000 . 11111110 . 00000001

3. Chuyển đổi sang Thập phân: Bước quan trọng là chuyển đổi giá trị nhị phân của mỗi octet sang hệ thập phân tương ứng. Một octet 8 bit có thể biểu diễn các giá trị từ 0 (00000000) đến 255 (11111111).

   • 10101100 (nhị phân) = 172 (thập phân)
   • 00010000 (nhị phân) = 16 (thập phân)
   • 11111110 (nhị phân) = 254 (thập phân)
   • 00000001 (nhị phân) = 1 (thập phân)

4. Kết hợp với dấu chấm: Cuối cùng, các giá trị thập phân này được viết liền nhau, phân tách bởi dấu chấm (.).
   172.16.254.1

Voilà! Đó chính là cách địa chỉ IPv4 172.16.254.1 được hình thành từ dãy 32 bit ban đầu. Định dạng này giúp các quản trị viên mạng, nhà phát triển, và cả người dùng cuối dễ dàng đọc, ghi nhớ và cấu hình các địa chỉ IP hơn rất nhiều so với việc phải làm việc với chuỗi nhị phân dài ngoằng.

Lưu ý quan trọng: Mặc dù chúng ta thấy các con số thập phân, máy tính và router vẫn xử lý địa chỉ IPv4 ở dạng nhị phân. Định dạng thập phân có dấu chấm chỉ là một lớp ‘giao diện’ cho con người.

Hiểu rõ cấu trúc này không chỉ giúp bạn nhận biết một địa chỉ IPv4 hợp lệ (mỗi số phải từ 0-255) mà còn là cơ sở để tìm hiểu các khái niệm nâng cao hơn như subnet mask (mặt nạ mạng con) và cách phân chia mạng. Bạn đã bao giờ thử chuyển đổi một địa chỉ IP quen thuộc sang dạng nhị phân chưa? Nó sẽ giúp bạn hình dung rõ hơn về cấu trúc bên trong đấy!

Thách thức lớn nhất: Vấn đề cạn kiệt địa chỉ IPv4

Như đã đề cập, IPv4 với không gian địa chỉ 32-bit cung cấp khoảng 4.3 tỷ địa chỉ duy nhất. Con số này từng được coi là quá đủ vào thời điểm Internet mới ra đời. Tuy nhiên, không ai có thể lường trước được sự bùng nổ phi thường của Internet sau này.

Sự phát triển vũ bão của máy tính cá nhân, sau đó là điện thoại thông minh, máy tính bảng, thiết bị IoT (Internet of Things), và sự mở rộng kết nối Internet đến mọi ngóc ngách trên thế giới đã tạo ra một nhu cầu khổng lồ về địa chỉ IP. Mỗi thiết bị kết nối trực tiếp vào Internet công cộng về lý thuyết cần một địa chỉ IPv4 duy nhất. Kết quả tất yếu là: chúng ta đã hết địa chỉ IPv4 mới để cấp phát.

Vấn đề cạn kiệt địa chỉ IPv4 không phải là chuyện tương lai xa vời, nó đã xảy ra. Tổ chức quản lý số hiệu Internet toàn cầu (IANA) đã cấp phát hết các khối địa chỉ IPv4 lớn cuối cùng cho các Cơ quan đăng ký Internet khu vực (RIR) vào năm 2011. Sau đó, lần lượt các RIR cũng thông báo hết địa chỉ IPv4 mới:

• APNIC (Châu Á – Thái Bình Dương): 2011
• RIPE NCC (Châu Âu, Trung Đông, Trung Á): 2012
• LACNIC (Mỹ Latinh và Caribe): 2014
• ARIN (Bắc Mỹ): 2015
• AFRINIC (Châu Phi): 2017 (bắt đầu giai đoạn cạn kiệt cuối cùng)

Điều này có nghĩa là gì? Các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), các công ty hosting, và các tổ chức mới muốn mở rộng hoặc tham gia vào Internet gặp khó khăn lớn trong việc xin cấp phát các khối địa chỉ IPv4 mới. Họ thường phải tìm cách mua lại địa chỉ từ các tổ chức không còn sử dụng hoặc áp dụng các giải pháp kỹ thuật để ‘tái sử dụng’ địa chỉ hiện có.

Cạn kiệt địa chỉ IPv4 là một thách thức nghiêm trọng, kìm hãm sự phát triển tự nhiên của Internet và đổi mới công nghệ. Nó buộc cộng đồng mạng phải tìm kiếm các giải pháp tạm thời và thúc đẩy mạnh mẽ việc chuyển đổi sang một giao thức mới với không gian địa chỉ lớn hơn nhiều. Bạn có thể thấy, giới hạn của 32 bit đã thực sự trở thành một rào cản lớn cho thế giới kết nối ngày càng mở rộng của chúng ta.

Các giải pháp tạm thời: NAT và cách hoạt động

Đối mặt với tình trạng cạn kiệt địa chỉ IPv4, cộng đồng Internet đã không ngồi yên. Một trong những giải pháp tạm thời phổ biến và hiệu quả nhất được triển khai rộng rãi chính là NAT (Network Address Translation). Vậy NAT là gì và nó hoạt động như thế nào?

NAT là một kỹ thuật cho phép nhiều thiết bị trong một mạng cục bộ (LAN – Local Area Network) chia sẻ chung một hoặc một vài địa chỉ IPv4 công cộng (Public IP) để truy cập Internet. Hãy hình dung thế này: trong một tòa nhà văn phòng, có hàng trăm máy tính, điện thoại, máy in. Thay vì mỗi thiết bị này cần một địa chỉ bưu chính riêng biệt trên đường phố (Public IP), tòa nhà chỉ có một địa chỉ chính (Public IP của router). Khi một người trong tòa nhà gửi thư đi, lễ tân (Router NAT) sẽ ghi lại xem thư đó từ phòng nào (Private IP + Port) và thay địa chỉ người gửi thành địa chỉ của tòa nhà trước khi gửi đi. Khi có thư gửi đến địa chỉ tòa nhà, lễ tân sẽ xem nó dành cho ai (dựa vào thông tin đã ghi nhớ, thường là cổng – port) và chuyển vào đúng phòng.

Cụ thể hơn, NAT hoạt động trên router hoặc tường lửa kết nối mạng nội bộ với Internet:

1. Mạng nội bộ dùng địa chỉ Private: Các thiết bị trong mạng LAN (như máy tính ở nhà bạn kết nối vào Wi-Fi) được gán các địa chỉ IP private (ví dụ: 192.168.1.100, 192.168.1.101…). Các địa chỉ này không thể được định tuyến trực tiếp trên Internet công cộng.
2. Router có địa chỉ Public: Router của bạn được nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) cấp cho một địa chỉ IPv4 công cộng duy nhất.
3. Dịch địa chỉ khi ra ngoài: Khi một thiết bị trong mạng LAN (ví dụ: 192.168.1.100) muốn gửi dữ liệu ra Internet (ví dụ: truy cập WiWeb.vn), gói tin sẽ đi đến router. Router NAT sẽ thay thế địa chỉ IP nguồn (192.168.1.100) bằng địa chỉ IP công cộng của chính nó. Đồng thời, nó cũng thường thay đổi cổng nguồn (source port) và lưu lại thông tin ánh xạ này vào một bảng (NAT table): (IP Private + Port Private) <-> (IP Public + Port Public mới).
4. Dịch địa chỉ khi nhận về: Khi máy chủ WiWeb.vn gửi phản hồi về, gói tin sẽ đến địa chỉ IP công cộng của router. Router nhìn vào cổng đích (destination port) của gói tin đến, tra cứu trong bảng NAT để tìm ra thiết bị nội bộ nào đang chờ phản hồi này (dựa vào ánh xạ đã lưu), sau đó thay thế địa chỉ IP đích và cổng đích thành địa chỉ IP private và cổng private tương ứng trước khi chuyển gói tin vào mạng LAN.

Nhờ NAT, hàng triệu mạng gia đình và doanh nghiệp trên thế giới có thể kết nối Internet chỉ với một địa chỉ IPv4 công cộng, giúp tiết kiệm đáng kể không gian địa chỉ. Tuy nhiên, NAT cũng có nhược điểm: nó phá vỡ nguyên tắc kết nối end-to-end của Internet, gây khó khăn cho một số ứng dụng (như game online, hội nghị truyền hình peer-to-peer) và làm phức tạp việc truy cập dịch vụ từ bên ngoài vào mạng nội bộ. NAT là một giải pháp ‘chữa cháy’ hiệu quả, nhưng nó không giải quyết được gốc rễ của vấn đề cạn kiệt địa chỉ IPv4.

IPv6: Giải pháp thay thế và tương lai của địa chỉ Internet

Trong khi NAT giúp kéo dài ‘tuổi thọ’ của IPv4, giải pháp căn cơ và lâu dài cho vấn đề cạn kiệt địa chỉ IPv4 chính là IPv6 (Internet Protocol version 6). Được phát triển bởi IETF (Internet Engineering Task Force), IPv6 được thiết kế để thay thế IPv4 và giải quyết những hạn chế cố hữu của người tiền nhiệm.

Điểm khác biệt lớn nhất và đáng chú ý nhất giữa IPv4 vs IPv6 nằm ở không gian địa chỉ:

• IPv4: Sử dụng địa chỉ 32-bit, cung cấp khoảng 4.3 tỷ địa chỉ.
• IPv6: Sử dụng địa chỉ 128-bit. Con số này lớn đến mức khó tưởng tượng: 2^128, tương đương khoảng 340 undecillion (3.4 x 10^38) địa chỉ! Con số này đủ để cấp hàng tỷ tỷ địa chỉ cho mỗi mét vuông trên bề mặt Trái Đất. Về cơ bản, cạn kiệt địa chỉ không còn là vấn đề với IPv6.

Địa chỉ IPv6 được biểu diễn dưới dạng 8 nhóm gồm 4 ký tự thập lục phân (hexadecimal), cách nhau bởi dấu hai chấm, ví dụ: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334. Có các quy tắc để rút gọn cách viết này.

Ngoài không gian địa chỉ khổng lồ, IPv6 còn mang lại nhiều cải tiến kỹ thuật khác so với IPv4:

• Header đơn giản hơn: Phần đầu (header) của gói tin IPv6 được thiết kế lại, loại bỏ hoặc đưa vào phần mở rộng (extension headers) một số trường không cần thiết hoặc ít dùng trong IPv4, giúp router xử lý gói tin hiệu quả hơn.
• Tự động cấu hình địa chỉ (Stateless Address Autoconfiguration – SLAAC): Thiết bị IPv6 có thể tự động tạo ra địa chỉ IP của mình mà không cần máy chủ DHCP, đơn giản hóa việc quản trị mạng.
• Loại bỏ NAT (thường là vậy): Với số lượng địa chỉ khổng lồ, về lý thuyết mỗi thiết bị đều có thể có địa chỉ IPv6 công cộng duy nhất, khôi phục lại mô hình kết nối end-to-end và loại bỏ các vấn đề do NAT gây ra.
• Bảo mật tích hợp (IPsec): IPsec, bộ giao thức bảo mật mạng, là một phần bắt buộc trong đặc tả của IPv6 (mặc dù việc triển khai vẫn tùy chọn), trong khi với IPv4 nó là tùy chọn.
• Hỗ trợ tốt hơn cho di động (Mobile IP): IPv6 được thiết kế với khả năng hỗ trợ thiết bị di động tốt hơn.

Quá trình chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6 đang diễn ra trên toàn cầu, nhưng đây là một quá trình phức tạp và tốn thời gian vì IPv4 và IPv6 không tương thích trực tiếp. Các kỹ thuật như dual-stack (chạy cả hai giao thức song song), tunneling (đóng gói gói tin IPv6 trong gói tin IPv4 và ngược lại), và translation (dịch giữa hai giao thức) đang được sử dụng để đảm bảo sự cùng tồn tại và chuyển đổi dần dần. Mặc dù IPv4 vẫn còn rất phổ biến, IPv6 chắc chắn là tương lai của địa chỉ Internet.