摘" 要： 5G網絡要求更多的基站部署以支持更高的數據傳輸速率和連接密度。為實現網絡數據的并行高速傳輸，確保網絡應用業(yè)務的實時性和穩(wěn)定性，文中提出一種支持IPv4/IPv6雙棧的5G通信網絡可靠性組網部署方法。結合IPv4和IPv6雙棧，構建雙棧轉換機制結合有限雙協議棧模型，在模型下構建5G通信網絡結構，并通過高架立體交叉網優(yōu)化IPv4/IPv6雙棧的5G通信網絡組網結構，提升IPv4/IPv6雙棧5G通信網絡的通信速度。采用冗余路徑算法，實現5G網絡IPv4/IPv6雙棧通信中的服務功能鏈編排，解決IPv4/IPv6雙棧通信中的冗余問題。實驗結果表明，該方法能夠構建一種更穩(wěn)定、更高效的5G通信網絡組網結構，提高了網絡頻譜效率，優(yōu)化了網絡環(huán)境。

關鍵詞： 5G通信網絡； IPv4/IPv6雙棧； 可靠性組網部署； 服務功能鏈； 冗余路徑算法； 有限雙協議棧模型

中圖分類號： TN915?34； TP393" " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）01?0102?05

Research on reliable networking deployment method for 5G"communication networks supporting IPv4/IPv6 dual stack

HUANG Lin1， HUANG Jie2， JIANG Ping3

（1. School of Computer and Information Engineering， Hubei Normal University， Huangshi 435002， China;

2. Tencent Technology （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China;

3. School of Computer， Hubei Polytechnic University， Huangshi 435003， China）

Abstract： More base station deployments are required in 5G networks for supporting higher data transmission rates and connection densities. In this paper， a reliable networking deployment method for 5G communication networks supporting IPv4/IPv6 dual stack is proposed to achieve parallel high?speed transmission of network data and ensure real?time and stable network application services. By combining the dual stack of IPv4 and IPv6， a dual stack conversion mechanism combined with a limited dual protocol stack model is constructed. On the basis of the model， a 5G communication network structure is constructed， and the networking structure of the IPv4/IPv6 dual stack 5G communication network is optimized by an elevated interchange network， so as to improve the communication speed of the IPv4/IPv6 dual stack 5G communication network. In addition， redundant path algorithm is adopted to achieve service function chain arrangement in 5G network IPv4/IPv6 dual stack communication， so as to solve the redundancy problem in IPv4/IPv6 dual stack communication. The experimental results show that the proposed method can construct a more stable and efficient 5G communication network architecture， improve network spectrum efficiency， and optimize the network environment.

Keywords： 5G communication network; IPv4/IPv6 dual stack; reliability networking deployment; service function chain; redundant path algorithm; finite dual protocol stack model

0" 引" 言

5G通信網絡是一種具有高速率和低延遲的移動通信技術，是推動數字化轉型、創(chuàng)新業(yè)務模式、提升社會連通性的重要驅動力[1]。盡管具有顯著優(yōu)勢，但也面臨頻譜資源有限、安全風險增加以及電磁輻射和設備兼容性等問題。而構建5G通信網絡可靠性組網對于支持關鍵業(yè)務、提供優(yōu)質服務體驗、推動創(chuàng)新應用發(fā)展等具有重要的意義[2]，因此，5G通信網絡可靠性組網部署已經成為該領域中的熱門研究。

文獻[3]通過對MC設備系統(tǒng)架構進行分析，依據5G專網的需求進行規(guī)劃，得到MC設備的部署方案，實現一種業(yè)務容災能力較強的MC設備5G通信網絡組網部署。但該方法在網絡部署過程中可能存在業(yè)務不連續(xù)的問題，導致業(yè)務中斷或延遲。文獻[4]設計了一種5G通信網絡中基于微服務架構的API網關協同接口，通過搭建5G通信網絡生命周期管理模塊，實現5G通信網絡配置，通過計算組網通信范圍，實現5G通信網絡組網部署。但該方法在5G通信網絡中缺少網絡安全、數據保護或認證授權等方面的內容，安全性較差。文獻[5]通過設計靈活的VNF布局策略，確保5G網絡在面臨移動和易失性挑戰(zhàn)時仍能保持高可靠性和低延遲，但該方法復雜度高，可能會增加部署的難度和風險。文獻[6]通過對網絡拓撲進行合理設計和優(yōu)化，減少網絡節(jié)點和鏈路的數量，借助機器學習和預測分析技術降低故障發(fā)生率，提高網絡的可靠性和穩(wěn)定性，但該方法引入了額外的計算，影響網絡性能和響應速度。

為解決上述問題，本文提出一種支持IPv4/IPv6雙棧的5G通信網絡可靠性組網部署方法。融合了IPv4和IPv6雙棧技術，建立了雙棧轉換機制與有限雙協議棧模型，優(yōu)化了5G通信網絡結構，提高了通信速度，并通過冗余路徑算法解決了雙棧通信冗余的問題，實現可靠的5G通信網絡組網部署，提升網絡性能。

1" IPv4/IPv6雙棧5G通信網絡可靠性組網部署

1.1" 構建5G通信網絡結構

5G通信網絡技術不斷發(fā)展，目前已經從IPv4網絡向IPv6網絡逐漸轉型。為了保證轉型過程中的平穩(wěn)性，提出了5G通信網絡的IPv4/IPv6雙棧思想。IPv4/IPv6雙棧常用的模型分為兩種，具體如下所示。

1） 完全雙協議棧模型：網絡中任意節(jié)點同時支持IPv4/IPv6雙棧，通過不同協議棧處理不同的數據包，該模型配置過程簡單，但需要對每個節(jié)點都配置一個IPv4地址。

2） 有限雙協議棧模型：網絡中的交換機、路由器、服務器同時支持IPv4/IPv6雙棧，但非服務器終端僅支持IPv6棧。該模型可有效處理IPv4地址緊缺的問題，但IPv4、IPv6網絡間節(jié)點無法實現數據通信過程。

由于現階段急需解決IPv4地址資源短缺等問題，故通過雙棧轉換機制結合有限雙協議棧模型，能夠有效解決網絡中IPv6網絡節(jié)點與IPv4網絡節(jié)點數據傳輸問題[7]。IPv4/IPv6雙棧網絡結構如圖1所示。

由圖1可知，5G通信網絡中內部IPv4、IPv6網絡節(jié)點數據通信通過IPv4和IPv6核心交換機相連實現。依據雙棧網絡結構能夠實現5G網絡中對IPv4和IPv6網絡訪問，實現從IPv6網絡到IPv4網絡的平穩(wěn)過渡。

1.2" 5G通信網絡組網結構優(yōu)化

由于大量的協議流量存在于IPv6網絡出入口處，導致網絡存在擁堵。因此，通過一種高架立體交叉網對IPv4/IPv6雙棧的5G通信網絡組網結構進行優(yōu)化，結構如圖2所示。

高架立體交叉網能夠有效解決IPv4/IPv6雙棧的5G通信網絡負擔較大的問題，通過構建IPv6通道，轉變IPv6協議的通信方式，為避開IVI網關或者直接從高架IPv6通道進行網絡通信，這種方式對IPv4/IPv6雙棧5G通信網絡通信速度具有較大提升。

1.3" 5G通信網絡可靠性組網部署

5G通信網絡部署中，由于通過IPv4/IPv6雙棧傳輸網提升了信息傳輸的可靠性，故需要考慮冗余技術[8]。通過用戶面功能（UPF）進行調整能夠提升5G通信網絡的可靠性。

UPF是一種能夠實現分組路由和轉發(fā)、數據包檢查、QosFlow映射等策略實施的5G通信網絡中的一個重要組成部分。通過優(yōu)化UPF的部署位置，能夠有效實現傳輸路徑的縮短，并與多個電力關口進行有效連接[9?10]。通過冗余路徑算法實現5G網絡IPv4/IPv6雙棧通信中的服務功能鏈（Service Function Chain， SFC）編排，防止SFC多路徑迂回，解決IPv4/IPv6雙棧通信中的冗余問題。

網絡可靠性組網部署過程中需要計及5G網絡IPv4/IPv6雙棧通信網絡節(jié)點之間的先后順序，設源節(jié)點[g]到目的節(jié)點[h]之間的多路徑集合表示為[Fgh]。

通過節(jié)點集和邊集成虛擬鏈路，因此構建5G網絡IPv4/IPv6雙棧通信的節(jié)點模型和邊模型，通過吞吐率對5G通信網絡節(jié)點的可靠性進行評價。構建的5G通信網絡節(jié)點的吞吐量模型中，節(jié)點[a]的可用度表示為：

[Ka=1-αptmesqβ3Fgh] （1）

式中：[α]、[tmes]、[q]、[β]分別表示通信網絡中的故障概率、IPv4/IPv6報頭往返時間、傳輸速率、5G通信網絡節(jié)點丟包率；[p]表示常數，通常為[32]。設5G通信網絡節(jié)點具有強大的交換能力，則在該網絡中只需要考慮節(jié)點[a]的處理時間延遲[Ta]。

將5G網絡IPv4/IPv6雙棧通信中的節(jié)點模型和邊模型中的所有虛擬鏈路可靠性代價[Iab]通過鏈路自身的可靠性[Jab]和鏈路輸出節(jié)點的可用度[Ka]表示，則有：

[Iab=ωKa×1-ωJab，" " 0≤ω≤1] （2）

式中，[ω]為權重系數，[ω=0]時，表示鏈路[Iab]的輸出節(jié)點是源節(jié)點[g]，除此之外的所有情況下，[ω=0.5]。

鏈路的傳輸時間延遲和輸出節(jié)點處理的時間延遲共同表示所有虛擬鏈路的時間延遲代價[γab]，通過式（3）表示。

[γab=Ta×Iab] （3）

5G通信網絡中SFC的可靠性受路徑間的相關性影響，構建5G網絡IPv4/IPv6雙棧通信中SFC路徑模型[11?12]。設在第[a]條SFC路徑固定的時間內采集的資源矩陣表示為：

[Na=u0au1a…uT-1av0av1a…vT-1aw0aw1a…wT-1a] （4）

式中：[uT-1a]、[vT-1a]、[wT-1a]、[T]分別表示5G通信網絡中的SFC中計算、存儲、帶寬資源的采樣值、周期內的采樣頻率。通過Cosin相關系數[uab]對SFC路徑資源向量之間的相關性進行表示，表達式為：

[uab=γaba=1T-1wT-1aa=1T-1ηta212] （5）

式中[ηta]為某一資源向量的值。

通過式（6）表示5G通信網絡中[ra]和[rb]兩條SFC路徑之間的相關性。

[λa，brgh=uabzN0a，N0b+zN1a，N1b+zN2a，N2b] （6）

式中：[z?]、[N0a]、[N1a]、[N2a]分別表示Cosin度量函數，5G網絡通信中的第[a]條路徑的計算、存儲、帶寬資源向量；[N0b]、[N1b]、[N2b]分別為第[b]條路徑的計算、存儲、帶寬資源向量。

通過式（6）得到每個SFC路徑間的相關性矩陣[λ]，表示為：

[λ=λ0，0…λ0，X-1???λX-1，0…λX-1，X-1] （7）

式中，[λX-1，X-1]、[λX-1，0]分別為路徑[X-1]的自相關系數、路徑與主路徑之間互相關系數。

式（7）中，以目標路徑與主路徑之間的相關性作為評價的對比標準，評估5G通信網絡IPv4/IPv6雙棧通信路徑間的聯系。結合目標路徑與主路徑之間的相關性系數及節(jié)點、邊之間的路徑可靠性指標，設[NEgh]、[Negh]分別為源節(jié)點[g]到目的節(jié)點[h]的路徑集合、[n]條中間鏈路組成的第[e]條路徑，通過式（8）表示整體的可靠性。

[Jegh=lab∈NeghnωKa×1-ωλa，brgh] （8）

若5G通信網絡IPv4/IPv6雙棧通信中路徑[Negh]的整體可靠性[Jegh]的值比業(yè)務流所需的可靠性門限大時，則證明該路徑能夠可靠傳輸。

所有鏈路消耗時延的總和表示SFC路徑的整體時延，表達式為：

[Tegh=Jeghlab∈NeghnIab] （9）

在5G通信網絡IPv4/IPv6雙棧通信的任意兩條路徑[rg，h]相關性表示中，拓撲圖具有局限性，即對5G通信網絡的路徑相關性與割點、割邊無法脫離開進行研究。因此，采用等價MRT算法實現網絡冗余SFC編排[13]，解決上述問題，提高網絡可靠性。通過該算法篩選5G通信網絡路徑中的割點和割邊，構建等價MRT拓撲圖實現網絡結構的優(yōu)化，解決了5G通信網絡中路徑的冗余性，同時還保證了在求解過程中主備份SFC對割點和割邊的合理分配。

2" 實驗與分析

為驗證本文方法實現的5G通信網絡組網部署的實際效果，以某小區(qū)為研究對象，對用戶使用網絡的效果進行研究，通過數據收集、調研，得到該小區(qū)用戶流量指標如表1所示。

本文方法組建的實驗5G通信網絡中不同網絡進行通信時，網絡路由器是否可以準確接收到兩個網絡的廣播報文，測試結果如表2所示。

從表2中可以看出，本文方法組建的5G通信網絡中的路由器可以準確接收兩個網絡傳輸的不同類型報文信息。

為進一步驗證本文方法實現5G通信網絡組網部署的可靠性，引入吞吐率進行驗證。5G通信網絡中的吞吐率指的是在單位時間內成功傳輸的數據量，吞吐率越高證明網絡性能越好。通過對比IPv4、IPv6及IPv4/IPv6雙棧環(huán)境下的通信網絡TCP吞吐率，對本文方法進行驗證，對比結果如圖3所示。

由圖3可知，在不同大小的數據包規(guī)格下，IPv4網絡環(huán)境下的TCP吞吐率高于IPv6網絡環(huán)境下的TCP吞吐率，原因是IPv6數據需要轉化為IPv4數據包，穿越IPv4網絡環(huán)境再轉化為IPv6數據，導致吞吐率較低。而本文方法能夠有效解決上述問題，在IPv4/IPv6雙棧網絡環(huán)境下，吞吐率明顯高于IPv4網絡環(huán)境下的吞吐率，證明了本文方法能夠實現一種性能更優(yōu)越的網絡環(huán)境。

為進一步驗證本文方法實現組網部署的可靠性，研究不同數量的低功率網絡天線節(jié)點部署情況下實驗小區(qū)內交疊區(qū)域的頻譜效率情況，如圖4所示。

由圖4可知：隨著低功率天線節(jié)點部署個數的增加，頻譜效率都呈下降趨勢，開始階段，IPv4網絡環(huán)境下擁有較高的頻譜效率，本文方法處于劣勢，原因是在低功率天線節(jié)點部署較少的情況下，靜態(tài)分簇與動態(tài)分簇取得的聯合傳輸的低功率天線節(jié)點部署情況基本無差，IPv4網絡能夠依靠資源塊分配的算法實現調優(yōu)，從而擁有更高的頻譜效率，而在低功率天線節(jié)點部署大于60時，本文方法效果更好，能夠得到更優(yōu)的聯合傳輸選擇，從而提高了頻譜效率，證明了本文方法實現的組網具有高效率的優(yōu)點。

3" 結" 論

為提供更加穩(wěn)定和優(yōu)質的服務體驗，確保關鍵業(yè)務的高可用性和連續(xù)性，本文提出了支持IPv4/IPv6雙棧的5G通信網絡可靠性組網部署方法。采用IPv4/IPv6雙棧構建了一種較為有效的5G通信網絡，并采用高架立體交叉網以及冗余路徑算法實現5G通信網絡的可靠性組網。經驗證，該方法提供了一種更穩(wěn)定、更高效的組網結構，能夠提高頻譜效率，優(yōu)化網絡環(huán)境，為5G通信網絡的推進提供了良好依據。

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基金項目：國家自然科學基金項目：基于可信大數據分析的滑坡災變時空演化及易發(fā)性平行預測（62273136）；湖北師范大學2024年產學合作協同育人項目：通信原理課程實驗項目式教學探索與研究（CXHZ24004）

作者簡介：黃" 琳（1981—），女，湖北黃岡人，碩士研究生，講師，研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

黃" 劼（1983—），男，湖北黃岡人，工程師，研究方向為大數據與云計算。

蔣" 平（1983—），男，湖北安陸人，博士研究生，副教授，研究方向為神經網絡及應用。