IPv6 PMTU探測技術(shù)及仿真實(shí)驗(yàn)

王悅悅，胡曦明，2，馬苗，2，李鵬，2

（1.陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，西安 710119；2.現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

0 引言

在IPv4網(wǎng)絡(luò)傳輸中，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包大于硬件接口的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）[1]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層會對其進(jìn)行分片[2]，保證每個(gè)分片都小于對應(yīng)接口的MTU值[3-4]。該功能實(shí)現(xiàn)了大塊數(shù)據(jù)分片傳送，但它會使網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)碎片增多、路由器負(fù)荷加重，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞、丟包現(xiàn)象[1,5]。路徑最大傳輸單元（Path MTU,PMTU）是從發(fā)送端到接收端之間所有數(shù)據(jù)鏈路中最小的MTU值[5]。PMTU探測技術(shù)能有效地減少分片，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率[6]，但在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，常常由于防火墻、VPN等網(wǎng)關(guān)設(shè)備丟棄ICMP差錯(cuò)控制報(bào)文,導(dǎo)致PMTU探測技術(shù)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)[6-7]。

在IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，IPv6報(bào)文中沒有分片與重組字段[8-9]，數(shù)據(jù)分段只能由源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，中間路由器不允許對數(shù)據(jù)進(jìn)行分段[10-11]，發(fā)送端需要利用PMTU探測技術(shù)來感知傳輸路徑的最大傳輸單元，以此控制發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包的長度[1]。因此，在IPv6網(wǎng)絡(luò)中，PMTU探測技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)[12]。

1 概述

PMTU探測技術(shù)的基本原理是發(fā)送端將到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)的PMTU值假定為第一段鏈路的MTU值，按照假定的長度發(fā)送數(shù)據(jù)包。中間節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包長度大于下一跳鏈路的MTU值，那么該節(jié)點(diǎn)將會丟棄數(shù)據(jù)包并回復(fù)一個(gè)ICMPv6數(shù)據(jù)包過大報(bào)文給發(fā)送端。發(fā)送端收到差錯(cuò)報(bào)文后，會將PMTU值修改為該報(bào)文中攜帶的MTU值。當(dāng)假定的PMTU值小于或等于實(shí)際的PMTU時(shí)，PMTU探測過程結(jié)束[13-14]。

2 IPv6 PMTU探測技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

在Oracle VM VirtualBox虛擬機(jī)上使用H3C Cloud Lab平臺搭建了IPv6網(wǎng)絡(luò)，在該平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖1所示，其中PC_A為發(fā)送端，PC_B為接收端，RT_1、RT_2為轉(zhuǎn)發(fā)路由器：

圖1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

2.2 發(fā)送端MTU值對初始PMTU值影響

（1）實(shí)驗(yàn)過程

①分別設(shè)置發(fā)送端PC_A的出接口GE_0/1的MTU值為1500、1420、1360，其余路由器接口的MTU值為1500。

圖2 PC_A的出接口GE_0/1的MTU值為1500

②PC_A向PC_B發(fā)送4500字節(jié)數(shù)據(jù)。

③使用Wireshark抓包查看發(fā)送端PC_A的出接口GE_0/1處初始報(bào)文的大小，圖3所示為PC_A的出接口GE_0/1在其MTU值為1500時(shí)的初始報(bào)文。

圖3 PC_A出接口GE_0/1處的初始報(bào)文

（2）結(jié)果分析

發(fā)送端PC_A的出接口GE_0/1在其MTU值分別為1500、1420、1360時(shí)，初始報(bào)文的大小以及初始PMTU值如表1所示：

表1 PC_A的MTU值不同時(shí)初始報(bào)文大小及初始PMTU值

由表1可知，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，初始PMTU值等于發(fā)送接口的MTU值，與相連路由器的接口無關(guān)。

2.3 接收端MTU值對PMTU的影響

（1）實(shí)驗(yàn)過程

①分別設(shè)置最小鏈路是接收端PC_B、最小鏈路是轉(zhuǎn)發(fā)路由器RT_2（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、表3所示），具體配置過程如表4所示，圖4、圖5為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一的配置結(jié)果。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二

表4 實(shí)驗(yàn)配置

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一，最小鏈路是PC_B配置結(jié)果

②PC_A向PC_B發(fā)送4500字節(jié)數(shù)據(jù)。

③數(shù)據(jù)傳輸完成后，在發(fā)送端PC_A處查看其到接收端PC_B的數(shù)據(jù)鏈路的PMTU值。圖6為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一，最小鏈路是接收端PC_B時(shí)的PMTU值。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一，最小鏈路是PC_B時(shí)的PMTU值

④分別在PC_A的GE_0/1，RT_1和RT_2的GE_0/0、GE_0/1以及PC_B的GE_0/0處抓包，分析數(shù)據(jù)的發(fā)送過程。

（2）結(jié)果分析

接收端MTU值對PMTU的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示：

表5 數(shù)據(jù)一實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 數(shù)據(jù)二實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送接口的MTU值都為1500，所以初始PMTU值都是1500。

通過抓包分析可知，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一中，當(dāng)鏈路狀況為1500→420時(shí)，沒有丟包，PMTU值不變；當(dāng)鏈路狀況為1500→1420→1420時(shí)，在轉(zhuǎn)發(fā)路由器RT_2的接口GE_0/0處丟一個(gè)包，回復(fù)差錯(cuò)報(bào)文，PC_A將其到PC_B的PMTU值修改為1420。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二中，當(dāng)鏈路狀況為1500→1420→1360時(shí)，只在RT_2的接口GE_0/0處丟包，回復(fù)差錯(cuò)報(bào)文，PC_A將PMTU值修改為1420；當(dāng)鏈路狀況為1500→1420→1360→1360時(shí)，在RT_1接口GE_0/0處丟一個(gè)包，PC_A將PMTU值修改為1420，之后在轉(zhuǎn)發(fā)路由器RT_2接口GE_0/0處再次丟包，再次回復(fù)差錯(cuò)報(bào)文（圖7為ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文），PMTU值變?yōu)?360。

圖7 ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文

結(jié)論：當(dāng)較大鏈路向較小鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)包且該數(shù)據(jù)包長度大于較小鏈路的MTU值時(shí)，若較小鏈路是接收端，不會回復(fù)差錯(cuò)報(bào)文，直接接收；若較小鏈路的路由器是轉(zhuǎn)發(fā)路由器時(shí)，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)丟包，回復(fù)ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文。因此，接收端鏈路狀況不會改變PMTU值。

2.4 不同鏈路狀況對PMTU值影響

（1）實(shí)驗(yàn)過程

①設(shè)置不同鏈路狀況（如表7所示）。如圖8，設(shè)置RT_2接口GE_0/0和GE_0/1的MTU值為1360，PC_B接口GE_0/0的MTU值為1420，其余路由器接口的MTU值為1500，整個(gè)鏈路狀況為1500→1360→1420，為大小中鏈路。

表7 不同的鏈路狀況

圖8 鏈路狀況為1500→1360→1420配置結(jié)果

②PC_A向PC_B發(fā)送4500字節(jié)數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)丟包情況。

③數(shù)據(jù)傳輸完成后，在發(fā)送端PC_A處查看其到接收端PC_B的數(shù)據(jù)鏈路的PMTU值。圖9為鏈路狀況是大小中鏈路，具體數(shù)據(jù)為1500→1360→1420時(shí)PMTU值。

圖9 鏈路狀況為150→136→1420時(shí)PMTU值

④分別在PC_A的GE_0/1，RT_1和RT_2的GE_0/0、GE_0/1，PC_B的GE_0/0處抓包，分析數(shù)據(jù)的發(fā)送過程。圖10為鏈路狀況為1500→1360→1420時(shí)，在PC_A的接口GE_0/1處獲取的報(bào)文。

圖10 鏈路狀況為1500→1360→1420報(bào)文

（2）結(jié)果分析

上述實(shí)驗(yàn)中，不同鏈路狀況下PMTU值、丟包情況以及實(shí)際丟包率如表8所示。

表8 不同鏈路狀況對PMTU值影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過抓包分析可知，當(dāng)較大鏈路向較小鏈路發(fā)送報(bào)文時(shí)，若較小鏈路不是接收端，會丟一個(gè)包，回復(fù)ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文，之后以較小鏈路的MTU值發(fā)送；若較小鏈路是接收端，不會丟包，直接接收。較小鏈路向較大鏈路發(fā)送報(bào)文時(shí)，不會丟包。

通過抓包發(fā)現(xiàn)，有些鏈路中接收端實(shí)際收到的包與發(fā)送端顯示的丟包情況不符合，這是因?yàn)楫?dāng)接收端收到數(shù)據(jù)后，在回復(fù)報(bào)文時(shí)也遵循PMTU探測技術(shù)，在中間較小鏈路也會丟包，發(fā)送端未收到回復(fù)，認(rèn)為數(shù)據(jù)已丟失。

結(jié)論：IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在不同鏈路狀態(tài)下，路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)都遵循PMTU探測技術(shù)。由于遵循PMTU探測技術(shù)，當(dāng)中間鏈路的MTU值小于兩端時(shí)，發(fā)送端顯示的丟包情況可能與接收端實(shí)際收到數(shù)據(jù)包的情況不符。

2.5 靜態(tài)PMTU對報(bào)文傳輸?shù)挠绊?/h3>

上述實(shí)驗(yàn)通過分別設(shè)置發(fā)送端、接收端以及傳輸鏈路的MTU值，研究了PMTU值的變化。在此過程中發(fā)現(xiàn)，IPv6網(wǎng)絡(luò)的PMTU的類型既有動態(tài)類型（Dynamic），又有靜態(tài)類型（Static）。為此，針對IPv6靜態(tài)PMTU值對報(bào)文傳輸?shù)挠绊戦_展研究。

（1）實(shí)驗(yàn)過程

①設(shè)置RT_2接口GE_0/0和GE_0/1的MTU值為1360，PC_B接口GE_0/0的MTU值為1420，其余路由器接口的MTU值為1500，整個(gè)鏈路狀況為1500→1360→1420。

②在發(fā)送端PC_A中分別設(shè)置其到接收端PC_B的數(shù)據(jù)鏈路的靜態(tài)PMTU值為1380、1360、1300，圖12所示為在PC_A中設(shè)置靜態(tài)PMTU值為1380。

圖11 鏈路1500→1360→1420，靜態(tài)PMTU值為1380

圖12 設(shè)置靜態(tài)PMTU值為1380

③PC_A向PC_B發(fā)送4500字節(jié)數(shù)據(jù)，如圖13所示。

圖13 PC_A向PC_B發(fā)送4500字節(jié)數(shù)據(jù)

④數(shù)據(jù)傳輸完成后，在發(fā)送端PC_A處查看其到接收端PC_B的數(shù)據(jù)鏈路的PMTU值，在各個(gè)接口處抓包分析報(bào)文的發(fā)送過程。

圖14 靜態(tài)PMTU為1380時(shí)PMTU值

（2）結(jié)果分析

上述實(shí)驗(yàn)中，在發(fā)送端的靜態(tài)PMTU值不同的情況下，數(shù)據(jù)丟包情況以及丟包率如表9所示。

表9 靜態(tài)PMTU值對報(bào)文傳輸?shù)挠绊憣?shí)驗(yàn)結(jié)果

對發(fā)送過程進(jìn)行抓包分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)送端總是以靜態(tài)PMTU的大小發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)靜態(tài)PMTU值為1380時(shí)，PC_A以1380的大小發(fā)送數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)路由器RT_2的接口GE_0/0處丟包，回復(fù)MTU值為1360的差錯(cuò)報(bào)文，但PC_A繼續(xù)以1380發(fā)送，全部丟包；當(dāng)靜態(tài)PMTU值為1360和1300時(shí)，PC_A分別以1360和1300的大小發(fā)送數(shù)據(jù)，無丟包現(xiàn)象。

結(jié)論：當(dāng)路由器配置了靜態(tài)PMTU時(shí)，ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文中的MTU值不會改變發(fā)送端PMTU值的大小，PMTU探測技術(shù)不再起作用。

3 結(jié)語

本文利用H3C Cloud Lab平臺對IPv6網(wǎng)絡(luò)中的PMTU探測技術(shù)進(jìn)行了深入研究。發(fā)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)可以有效地支持PMTU探測技術(shù)，通過避免中間路由器多次分片來減少網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文碎片、減少路由器的負(fù)荷，從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸中，當(dāng)路由器配置動態(tài)PMTU時(shí)，數(shù)據(jù)包的大小由PMTU值決定，PMTU值由路由器發(fā)送接口與鏈路中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的最小MTU值決定，不受接收端鏈路狀況的影響。

相比之下，當(dāng)路由器配置靜態(tài)PMTU時(shí)，PMTU探測技術(shù)不再起作用。因此，靜態(tài)PMTU值不適合運(yùn)用于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，在只有靜態(tài)路由的網(wǎng)絡(luò)中，配置一定的靜態(tài)PMTU值可以提高鏈路層的傳輸效率。