鐘 銳，劉夏寧，陶智勇

(1.光纖通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074;2.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074)

IPv6是替代現(xiàn)行IPv4的下一代IP協(xié)議，具有比IPv4更為豐富的IP地址空間。作為提高互聯(lián)網(wǎng)容量的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，IPv6直接支撐著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展。雖然，IPv6已經(jīng)為大家所廣泛接受，但是普及速度始終相當(dāng)緩慢。不過，隨著各種智能終端的爆發(fā)，尤其是iPad和其他平板、智能手機的普及和良好的市場驅(qū)動，各種設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求猛增，將迅速催生IPv6的快速普及。但是與IPv4的頭部長度20 byte相比，IPv6的40 byte的頭部長度顯得過于龐大，過大的頭部開銷在一定程度上影響著IPv6數(shù)據(jù)包的傳輸性能［1］。

眾所周知，大多數(shù)實時或交互性應(yīng)用的程序中經(jīng)常用一些小包，這些小包一般從幾個字節(jié)到幾百字節(jié)之間。因此IP包的負載數(shù)據(jù)長度經(jīng)常與IP的報頭的長度一樣，甚至更短。例如，90%的telnet和rlogin的數(shù)據(jù)包所傳送的用戶數(shù)據(jù)少于10 byte［2］。更極端的是用戶經(jīng)常用一個回車鍵或者其他鍵來回復(fù)消息，這些消息經(jīng)常是單個字符的。這些單字節(jié)的數(shù)據(jù)將用TCP和IPv6的頭部來傳送，結(jié)果導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)包的長度至少變?yōu)?1 byte(數(shù)據(jù)+IP頭部+TCP頭部(沒有任何選項的TCP頭部為20 byte))，無用的開銷將達到6000%。因此在這樣的場景中，如何減少報頭的大小、提高有效數(shù)據(jù)所占的比重是需要關(guān)注的。

本文設(shè)計了在3種不同情況下通過去掉IPv6的頭部中的一些與在LAN中傳輸數(shù)據(jù)毫無相關(guān)的域或者一些域值可以從以太網(wǎng)幀頭中推測出的域的辦法來構(gòu)建新的IPv6頭部。使用這些設(shè)計，含IPv6報頭的數(shù)據(jù)包在LAN中傳輸數(shù)據(jù)的性能將顯著提高。

1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開銷

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議，是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議集，它是為廣域網(wǎng)(WAN)設(shè)計的。因此在LAN中使用TCP/IP其實并不是一個很好的選擇，因為IPv6報頭中的一些域(例如Flow label，Hop limit)只與在WAN中傳輸數(shù)據(jù)有關(guān)。除此之外，其他的一些域(例如Interface Identifier，Payload Length，IP version)也顯得多余，因為它們的值在數(shù)據(jù)鏈路層的幀中也可以得到。因此通過有效的處理這些域，可以顯著提高IPv6數(shù)據(jù)包在LAN中傳輸?shù)男阅堋?/p>

通過科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)軟件來抓取局域網(wǎng)中的流量，經(jīng)過一段時間(2 h)后，得到圖1，從圖中可以知道，TCP和IP 的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中占到了絕對的比重，超過了所以數(shù)據(jù)量的90%。這也證明了TCP/IP是互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)治協(xié)議。TCP/IP協(xié)議棧從底層到高層共分為4層，依次為網(wǎng)絡(luò)接口層、IP層、傳輸層和應(yīng)用層［3］。

圖1 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)包監(jiān)測(截圖)

TCP/IP協(xié)議棧的每一層都會對數(shù)據(jù)進行封裝，控制信息被添加到頭部，然后根據(jù)協(xié)議族將數(shù)據(jù)發(fā)送到模型中的下一層。圖2中顯示了典型的TCP/IP以太網(wǎng)幀，從該圖中可以看到，當(dāng)TCP/IP的數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中傳輸時，引入了很多額外的負載(圖2中淺色部分為有效數(shù)據(jù))。當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度很短時，相關(guān)的頭部在數(shù)據(jù)包中的比例很大。因此，對傳輸效率有著很大的影響。最極端的例子是用telnet遠程登錄，每敲一下鍵盤就產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)報，每個數(shù)據(jù)報只有1 byte的有效數(shù)據(jù)，卻要在這一個字節(jié)的數(shù)據(jù)上封裝TCP報頭和IP報頭，該包的大小為61 byte，導(dǎo)致IP的報頭占到了65.57%(40/61)。所以傳輸效率非常低下，急需改進。對于大包來說，與數(shù)據(jù)的封裝相比，報頭的長度可以忽略不計，例如，如果一個IP包的有效負載高達1044 byte，則IP頭部只占到了3.69%。

圖2 典型的TCP/IP以太網(wǎng)幀

但是通過科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)軟件來抓取局域網(wǎng)中的流量，經(jīng)過一段時間(2 h)后，得到圖3，從中可以看到:小于64 byte的數(shù)據(jù)包為56224個，65～127 byte的包為37813個，在檢測時間內(nèi)的總包數(shù)為157884個，因此小于128 byte的包占數(shù)據(jù)量中的大部分，約為59.6%，而大于1024 byte的包只為28.3%。

圖3 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)包監(jiān)測(截圖)

因此，針對LAN中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量中大部分的包為小于128 byte的小包，而IPv6頭部卻有40 byte的情況。在本文中，提出了3種不同情況下旨在減少IPv6頭部開銷的設(shè)計，這3種設(shè)計對標(biāo)準(zhǔn)的IPv6的頭部進行一定的修改，使IP數(shù)據(jù)包在LAN中的傳輸效率更加高。這些設(shè)計對于LAN中的設(shè)備或LAN/WAN邊緣的路由器的layer2和layer3是透明的。在LAN中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包將按照本文設(shè)計的IPv6報頭進行傳輸，而到WAN中的數(shù)據(jù)包的IPv6報頭將在LAN邊緣的路由器被還原成標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報頭格式。

2 新設(shè)計的IPv6報頭

新設(shè)計的IPv6的頭部是在標(biāo)準(zhǔn)頭部的基礎(chǔ)上把一些在LAN中傳輸數(shù)據(jù)無關(guān)或冗余的域去掉。圖4為標(biāo)準(zhǔn)的IPV6的報頭格式。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的IPv6的報頭格式

2.1 LAN到LAN的情況

如果一個數(shù)據(jù)報文的源和目的在同一個鏈路上，那么稱這個目的地址對于這個源地址是在線(On-Link)的［4］。在源主機向目標(biāo)主機發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候，源和目的IP地址、版本、流量類型、流標(biāo)簽和有效載荷長度字段都可以去掉。對只在本地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包來說，跳數(shù)限制(Hop Limit)為1(當(dāng)路由器收到一個IPv6報頭中的跳數(shù)限制字段值為1的數(shù)據(jù)報時，會丟棄該數(shù)據(jù)包并向源主機發(fā)送ICMPv6超時報文)，因此Hop Limit也可以去掉。去掉這些域后，剩下的IPv6報頭將如圖5所示。從圖5中可以看到，為只在LAN中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)設(shè)計的IPv6報頭從原來的40 byte減少到1 byte。新設(shè)計的IPv6報頭將在源主機封裝成幀然后發(fā)送到目標(biāo)主機。在目標(biāo)機中，在該包交付給網(wǎng)絡(luò)層前，該包中的IPv6頭部將先被還原成標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報頭。因為源主機和目標(biāo)機在同一個局域網(wǎng)中，所以它們的網(wǎng)絡(luò)前綴就是標(biāo)準(zhǔn)的Link-local前綴，該前綴值可以作為源和目的地址的前綴值，而Interface-ID的值則可以從以太網(wǎng)的幀頭中提取出來，在幀中的源和目標(biāo)MAC地址轉(zhuǎn)換成EUI-64格式［5-6］，轉(zhuǎn)換方法為:

圖5 LAN到LAN情況用IPv6報頭

1)將48位的MAC地址從中間分開，插入一個固定數(shù)值FFFE:0050:3EE4:4C00—＞ 0050:3EFF:FEE4:4C00。

2)將第7個比特位反轉(zhuǎn)，如果原來是0，就變?yōu)?，如果原來是1，就變?yōu)?，0050:3EFF:FEE4:4C00—＞ 0250:3EFF:FEE4:4C00。

3)加上前綴FE80::0250:3EFF:FEE4:4C00這就是一個完整的IPv6地址)，然后加上網(wǎng)絡(luò)前綴得到128 bit的源和目標(biāo)IP地址。版本和有效負載長度的值也可以從以太網(wǎng)幀中獲取，而流量類型和流標(biāo)簽的值則可以設(shè)置為0。在重組成含標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報頭的包后，該包就可以提交到網(wǎng)絡(luò)層然后就可以像正常情況下一樣處理該包。

2.2 WAN到LAN的情況

當(dāng)源主機在WAN中，而目標(biāo)主機在一個LAN中時，數(shù)據(jù)包會先傳送到邊緣路由器，然后邊緣路由器會對數(shù)據(jù)包進行檢查然后找到LAN中的目標(biāo)主機［7］。因此，在邊緣路由器上數(shù)據(jù)包的報頭可以重新設(shè)計，以便于更快捷地把該包發(fā)送給LAN中的目標(biāo)主機。包中的目標(biāo)主機的IP地址、流量類型、負載長度、跳數(shù)限制可以去除，只保留版本號、流標(biāo)簽、Next Header和源主機的IP地址。此時，包含著重新設(shè)計的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包將在數(shù)據(jù)鏈路層封裝成幀然后發(fā)送給目標(biāo)主機。在目標(biāo)主機上，該包的IPv6頭部在該包傳送到網(wǎng)絡(luò)層之前又可以恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)頭部的格式。在這個恢復(fù)過程中，版本號和負載長度的域值可以從以太網(wǎng)的幀頭中讀取到;而在IPv6中，IP地址被分割為前綴部分和接口ID［8-9］，因此目的地址可以由路由通告的標(biāo)準(zhǔn)的全局前綴加上從以太網(wǎng)的幀頭中獲取到的目的MAC地址的接口ID組成。流量類型和流標(biāo)簽的域值則可以設(shè)置為0。包含著已經(jīng)成標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)的IPv6報頭的數(shù)據(jù)包就可以傳送到網(wǎng)絡(luò)層，然后進行相應(yīng)的處理，該設(shè)計使得IPv6的數(shù)據(jù)包的報頭長度從40 byte減少到20 byte。圖6為WAN到LAN情況用IPv6報頭。

圖6 WAN到LAN情況用IPv6報頭

2.3 LAN到WAN的情況

當(dāng)源主機在LAN中，而目標(biāo)主機在WAN中的情況下。目標(biāo)主機將有一個全局的IPv6地址［10］，如果是這種情況，可以設(shè)計另一種IPv6報頭，去掉源IP地址，保留目地地址;此外，流量類型、負載長度、跳數(shù)限制都可以去掉，流標(biāo)簽則保存。此時包含新的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包將傳送給數(shù)據(jù)鏈路層，封裝成幀并發(fā)送給邊緣路由器。在邊緣路由器上，該數(shù)據(jù)包在被傳送給網(wǎng)絡(luò)層之前，里面的IPv6頭部就可以被恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)格式。負載長度的值可以從以太網(wǎng)幀的頭部中獲得，跳數(shù)限制的值將被設(shè)置為默認(rèn)值，流量類型的值如果沒有在邊緣路由器上特別設(shè)置的話就直接設(shè)置為0，從邊緣路由器中獲得的源IP地址的前綴加上從以太網(wǎng)中幀中獲得的接口ID就可以組成標(biāo)準(zhǔn)的源IP地址。當(dāng)該數(shù)據(jù)包中的IP頭部被恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)格式后，該數(shù)據(jù)包就可以傳送到網(wǎng)絡(luò)層，然后發(fā)送到目標(biāo)主機。該設(shè)計使得IPv6的數(shù)據(jù)包的報頭長度從40 byte減少到了20 byte，圖7為LAN到WAN情況用IPv6報頭。

圖7 LAN到WAN情況用IPv6報頭

從上面3種情況可以看到，新設(shè)計的3種IPv6頭部使得壓縮IPv6頭部以及整個數(shù)據(jù)包的大小成為了可能。通過理論計算，可以得到圖8，從圖中可以直觀地看到標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭部和新設(shè)計的頭部在LAN中傳輸?shù)男省τ?28 byte和256 byte的數(shù)據(jù)包，使用新設(shè)計的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包的傳輸效率比使用標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包的傳輸效率最高可達71%((60-35)/35)和23%((80-65)/65)。因此，可以得出，對于小包，使用新設(shè)計的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包的傳輸效率要明顯高于使用標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包。這對于在帶寬受限的WLAN中傳輸IPv6小包有著重要的意義。

圖8 在100 Mbit/s上幀長與吞吐量的對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)束語

頭部的長度對協(xié)議的性能在兩個方面有著影響:第一，過大的頭部將增加數(shù)據(jù)包交換和傳輸?shù)难訒r;第二，過大的報頭會占據(jù)過量的帶寬，從而降低了鏈路的吞吐量。如果數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)部分占的比例很大，則該影響可以忽略不計;但是如果數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)部分在整個包中占的比例很小，則該影響會很大。

在本文中，介紹并且討論了使用新設(shè)計的3種IPv6頭部來減少在局域網(wǎng)數(shù)據(jù)流中IPv6報頭大小。該方法減小了其頭部乃至整個數(shù)據(jù)包的大小，從而使得傳輸IPv6數(shù)據(jù)包(特別是小包)的LAN中的傳輸效率有著顯著的改善。

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