王悅悅，胡曦明，2，馬苗，2，李鵬，2

（1.陜西師范大學計算機科學學院，西安 710119；2.現(xiàn)代教學技術(shù)教育部重點實驗室，西安 710119）

0 引言

在IPv4網(wǎng)絡傳輸中，當一個數(shù)據(jù)包大于硬件接口的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）[1]時，網(wǎng)絡層會對其進行分片[2]，保證每個分片都小于對應接口的MTU值[3-4]。該功能實現(xiàn)了大塊數(shù)據(jù)分片傳送，但它會使網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)碎片增多、路由器負荷加重，導致網(wǎng)絡出現(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)絡傳輸效率[6]，但在當前網(wǎng)絡中，常常由于防火墻、VPN等網(wǎng)關(guān)設備丟棄ICMP差錯控制報文,導致PMTU探測技術(shù)不能正常運轉(zhuǎn)[6-7]。

在IPv6網(wǎng)絡環(huán)境中，IPv6報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)點進行，中間路由器不允許對數(shù)據(jù)進行分段[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)絡中，PMTU探測技術(shù)成為了實現(xiàn)網(wǎng)絡數(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)送端將到達某一節(jié)點的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)點在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，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)點將會丟棄數(shù)據(jù)包并回復一個ICMPv6數(shù)據(jù)包過大報文給發(fā)送端。發(fā)送端收到差錯報文后，會將PMTU值修改為該報文中攜帶的MTU值。當假定的PMTU值小于或等于實際的PMTU時，PMTU探測過程結(jié)束[13-14]。

2 IPv6 PMTU探測技術(shù)仿真實驗

2.1 實驗環(huán)境搭建

在Oracle VM VirtualBox虛擬機上使用H3C Cloud Lab平臺搭建了IPv6網(wǎng)絡，在該平臺上進行仿真實驗，實驗拓撲圖如圖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 實驗拓撲圖

2.2 發(fā)送端MTU值對初始PMTU值影響

（1）實驗過程

①分別設置發(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時的初始報文。

圖3 PC_A出接口GE_0/1處的初始報文

（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，初始報文的大小以及初始PMTU值如表1所示：

表1 PC_A的MTU值不同時初始報文大小及初始PMTU值

由表1可知，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時，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）實驗過程

①分別設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（實驗數(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為實驗數(shù)據(jù)一的配置結(jié)果。

表2 實驗數(shù)據(jù)一

表3 實驗數(shù)據(jù)二

表4 實驗配置

圖4 實驗數(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為實驗數(shù)據(jù)一，最小鏈路是接收端PC_B時的PMTU值。

圖6 實驗數(shù)據(jù)一，最小鏈路是PC_B時的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的影響實驗結(jié)果如表5、表6所示：

表5 數(shù)據(jù)一實驗結(jié)果

表6 數(shù)據(jù)二實驗結(jié)果

兩個實驗數(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，在實驗數(shù)據(jù)一中，當鏈路狀況為1500→420時，沒有丟包，PMTU值不變；當鏈路狀況為1500→1420→1420時，在轉(zhuǎn)發(fā)路由器RT_2的接口GE_0/0處丟一個包，回復差錯報文，PC_A將其到PC_B的PMTU值修改為1420。

在實驗數(shù)據(jù)二中，當鏈路狀況為1500→1420→1360時，只在RT_2的接口GE_0/0處丟包，回復差錯報文，PC_A將PMTU值修改為1420；當鏈路狀況為1500→1420→1360→1360時，在RT_1接口GE_0/0處丟一個包，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，再次回復差錯報文（圖7為ICMPv6差錯報文），PMTU值變?yōu)?360。

圖7 ICMPv6差錯報文

結(jié)論：當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，若較小鏈路是接收端，不會回復差錯報文，直接接收；若較小鏈路的路由器是轉(zhuǎn)發(fā)路由器時，在轉(zhuǎn)發(fā)時丟包，回復ICMPv6差錯報文。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）實驗過程

①設置不同鏈路狀況（如表7所示）。如圖8，設置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PMTU值。

圖9 鏈路狀況為150→136→1420時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，在PC_A的接口GE_0/1處獲取的報文。

圖10 鏈路狀況為1500→1360→1420報文

（2）結(jié)果分析

上述實驗中，不同鏈路狀況下PMTU值、丟包情況以及實際丟包率如表8所示。

表8 不同鏈路狀況對PMTU值影響實驗結(jié)果

通過抓包分析可知，當較大鏈路向較小鏈路發(fā)送報文時，若較小鏈路不是接收端，會丟一個包，回復ICMPv6差錯報文，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)送報文時，不會丟包。

通過抓包發(fā)現(xiàn)，有些鏈路中接收端實際收到的包與發(fā)送端顯示的丟包情況不符合，這是因為當接收端收到數(shù)據(jù)后，在回復報文時也遵循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，認為數(shù)據(jù)已丟失。

結(jié)論：IPv6網(wǎng)絡環(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)，當中間鏈路的MTU值小于兩端時，發(fā)送端顯示的丟包情況可能與接收端實際收到數(shù)據(jù)包的情況不符。

2.5 靜態(tài)PMTU對報文傳輸?shù)挠绊?/h3>

上述實驗通過分別設置發(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值對報文傳輸?shù)挠绊戦_展研究。

（1）實驗過程

①設置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，整個鏈路狀況為1500→1360→1420。

②在發(fā)送端PC_A中分別設置其到接收端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，在各個接口處抓包分析報文的發(fā)送過程。

圖14 靜態(tài)PMTU為1380時PMTU值

（2）結(jié)果分析

上述實驗中，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值對報文傳輸?shù)挠绊憣嶒灲Y(jié)果

對發(fā)送過程進行抓包分析，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)。當靜態(tài)PMTU值為1380時，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MTU值為1360的差錯報文，但PC_A繼續(xù)以1380發(fā)送，全部丟包；當靜態(tài)PMTU值為1360和1300時，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：當路由器配置了靜態(tài)PMTU時，ICMPv6差錯報文中的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)絡中的PMTU探測技術(shù)進行了深入研究。發(fā)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡可以有效地支持PMTU探測技術(shù)，通過避免中間路由器多次分片來減少網(wǎng)絡中報文碎片、減少路由器的負荷，從而提高網(wǎng)絡傳輸效率。

實驗結(jié)果表明，在IPv6網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸中，當路由器配置動態(tài)PMTU時，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，當路由器配置靜態(tài)PMTU時，PMTU探測技術(shù)不再起作用。因此，靜態(tài)PMTU值不適合運用于動態(tài)網(wǎng)絡中，在只有靜態(tài)路由的網(wǎng)絡中，配置一定的靜態(tài)PMTU值可以提高鏈路層的傳輸效率。