IPv6網(wǎng)絡(luò)中一種基于路由協(xié)議的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制＊

程友清，余少華

（1.華中科技大學(xué)計算機學(xué)院，湖北 武漢 430074）；2.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

1 引言

2011年2月3日，全球互聯(lián)網(wǎng)地址分配機構(gòu)（IANA）宣布，全球IPv4 地址池已經(jīng)耗盡，在2012年中國IPv4地址也將分配完畢，而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對IP 地址的需求增長更為迅速，因此IPv6技術(shù)實用化的進(jìn)程會逐步加快。在中國，各大運營商已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)行IPv6運營試點，從2010年開始，運營商選型測試開始要求設(shè)備廠商支持IPv6相關(guān)功能。

MTU（Maximum Transfer Unit）指的是網(wǎng)絡(luò)某鏈路中的最大傳輸單元，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中封裝分組的重要參數(shù)，也是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要指標(biāo)。不同網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)限定的MTU 是不一樣的。PMTU（Path MTU）是指網(wǎng)絡(luò)端點之間的傳輸路徑容許通過的最大傳輸單元值，一條網(wǎng)絡(luò)路徑的PMTU是組成該傳輸路徑的所有鏈路MTU 的最小值。由于IPv6地址長度為16字節(jié)，造成IPv6的包頭長度最少為40字節(jié)，占用有效載荷帶寬，而且分片重組占用路由器的處理時間使轉(zhuǎn)發(fā)性能下降。因此，IPv6網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般不支持對IP 分組進(jìn)行分片和重組功能，在IPv6 網(wǎng)絡(luò)中，PMTU 探測顯得尤其重要，它是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的最重要方法。

2 IPv6網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有PMTU 發(fā)現(xiàn)和路由機制

互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF 制定了一系列有關(guān)PMTU 探測的標(biāo)準(zhǔn)和建議，其中RFC1981［1］規(guī)定了IPv6 網(wǎng)絡(luò)各個協(xié)議層間測量PMTU 的工作職能和范疇，但對具體探測算法沒有做規(guī)定；RFC2923［2］對IPv6 網(wǎng)絡(luò)實施PMTU 測量過程中TCP 層可能出現(xiàn)的問題制定了相應(yīng)解決方案，這些問題包括路由黑洞效應(yīng)、應(yīng)答延遲效應(yīng)以及最大傳輸單元確定等；另外，國內(nèi)外很多學(xué)者也對PMTU 的探測算法進(jìn)行了研究［3～5］。以上PMTU 發(fā)現(xiàn)機制實質(zhì)都是從源主機到目的設(shè)備或主機逐步探測，沒有本質(zhì)上的改變?，F(xiàn)在各設(shè)備廠商在實際的IPv6網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中仍然采用RFC1981中制定的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制。

根據(jù)RFC1981標(biāo)準(zhǔn)，IPv6網(wǎng)絡(luò)中在某一主機或設(shè)備向未知的目的端發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要先進(jìn)行PMTU 的探測過程。如圖1 所示，源和目的之間的鏈路MTU 都不相同，源首先以本地鏈路的MTU 值嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)包，當(dāng)?shù)谝惶酚善魇盏絀Pv6數(shù)據(jù)包時發(fā)現(xiàn)出接口鏈路MTU 比收到的數(shù)據(jù)包小的時候就發(fā)送ICMPv6類型2的包給源（包中攜帶允許的MTU 值），源端收到該ICMPv6包時則以新的MTU 的長度發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的地；第一跳路由器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個路由器，該路由器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超長回應(yīng)ICMPv6數(shù)據(jù)包，以此類推；最終源端探測出到目的地的PMTU 值，后面的數(shù)據(jù)就以PMTU 為最大長度進(jìn)行發(fā)送。在實際的實現(xiàn)中源會保存本機到每個目的地的PMTU，該PMTU 條目會定期老化（例如2小時），在老化后如果源端需要向目的發(fā)送數(shù)據(jù)，則再發(fā)起PMTU 發(fā)現(xiàn)過程。

在IPv6網(wǎng)絡(luò)中，IPv6 數(shù)據(jù)依據(jù)IPv6 路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路由轉(zhuǎn)發(fā)表可以靜態(tài)配置，也可由支持IPv6的動態(tài)路由協(xié)議RIPng［6］、OSPFv3［7］、BGP4＋［8］、IS－ISv6［9］等學(xué)習(xí)生成。如圖1所示，路由器R1和R2之間可以運行路由協(xié)議，R1學(xué)習(xí)到目的主機網(wǎng)段的路由，R2學(xué)習(xí)到源主機網(wǎng)段的路由。在目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，路由表都由路由前綴、前綴長度、下一跳IPv6地址、下一跳出接口組成。路由器接收到IPv6數(shù)據(jù)包后根據(jù)路由前綴、前綴長度查找路由表，根據(jù)查找到的出接口得到出接口鏈路的MTU 值，從而判斷所接收的IPv6數(shù)據(jù)包是否超長，如果超長則丟棄數(shù)據(jù)并向源發(fā)送ICMPv6包超長包。

Figure 1 Typical PMTU discovery mechanism圖1 現(xiàn)有PMTU 發(fā)現(xiàn)機制

3 一種基于路由協(xié)議的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制

分析現(xiàn)有IPv6網(wǎng)絡(luò)路由和PMTU 機制，我們發(fā)現(xiàn)可以擴展路由協(xié)議提出一種新的路徑MTU發(fā)現(xiàn)機制。

該機制的原理如下：

（1）路由協(xié)議在路由信息報文中攜帶路由MTU，路由協(xié)議從某一接口收到報文后比較路由信息的MTU 和該接口的MTU 值，取其中比較小的MTU 作為該路由的MTU 值，該MTU 值保存在路由信息表中，并將MTU 值向鄰居通告，使路由MTU 在網(wǎng)絡(luò)中傳遞；

（2）第一跳路由器在收到數(shù)據(jù)包后查找路由表得到到目的端的路由條目，用該路由條目的MTU值與包長度相比較，小則發(fā)送ICMPv6包超長信息（MTU 值為路由MTU 值）給源端，源端之后再用學(xué)到的MTU 值作為PMTU 進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.1 路由協(xié)議的擴展

以下通過對RIPng路由協(xié)議和路由轉(zhuǎn)發(fā)表的擴展來描述本文提出的基于路由協(xié)議的IPv6路徑MTU 發(fā)現(xiàn)機制。

RFC2080中定義了如圖2所示的RIPng報文格式，RIPng的請求（request）報文和響應(yīng)（report）報文傳輸都采用該報文格式，通過命令字的值來區(qū)分報文類型。RIPng報文中攜帶的路由條目格式如圖3所示，由IPv6路由前綴、路由標(biāo)簽、前綴長度（掩碼長度）、路由度量值（跳數(shù)）組成，RFC2080中規(guī)定路由標(biāo)簽可以用來標(biāo)識路由條目是RIPng外部路由還是內(nèi)部路由，也可以將該域用作其他用途，但同一網(wǎng)絡(luò)中各RIPng設(shè)備需要保持一致。

Figure 2 RIPng packet format圖2 RIPng報文格式

Figure 3 RIPng route information packet format圖3 RIPng路由信息報文格式

由以上描述可見，RIPng支持路由MTU 的擴展可以有兩種方式：（1）重用路由條目報文中路由標(biāo)簽域，2字節(jié)長度可以表示最長65 535字節(jié)長度的MTU；（2）將路由條目報文進(jìn)行擴展，增加4字節(jié)MTU 域，如圖4所示。在路由標(biāo)簽域已被使用的時候建議使用方式（2），在路由條目表示的是下一跳（路由度量為0xff）時該域可以不添加。

Figure 4 Extension of RIPng route information packet format圖4 RIPng路由條目報文擴展

路由協(xié)議進(jìn)行擴展之后，路由表轉(zhuǎn)發(fā)表也需進(jìn)行擴展，擴展后的路由轉(zhuǎn)發(fā)表結(jié)構(gòu)中增加了路由MTU 字段。擴展后的路由條目所包含的主要信息如下：

RIPng處理響應(yīng)（report）報文時需要對代表路由MTU 值的域進(jìn)行解析，并比較該MTU 值與下一跳出接口的MTU 值，較小者記錄到路由轉(zhuǎn)發(fā)表中作為該路由的MTU 值；當(dāng)一臺路由器從不同的鄰居學(xué)習(xí)到同一網(wǎng)段的路由時，通過比較這些路由的路由度量值和MTU 值，得到最佳路由。

如上所述，最佳路由選擇算法如下：

當(dāng)RIPng路由器將自己的直連路由通告出去時，則將該直連接口的IPv6 MTU 值封裝到報文的MTU 域中發(fā)送；當(dāng)RIPng 路由器將學(xué)習(xí)到的最佳路由傳遞出去時，則將該路由條目中的MTU值封裝到報文的MTU 域中發(fā)送。

以上以RIPng協(xié)議為例描述了對IPv6 路由協(xié)議的擴展，以支持MTU 的學(xué)習(xí)，OSPFv3、BGP4＋、IS－ISv6路由協(xié)議的擴展方法類似。

3.2 新的路徑MTU 發(fā)現(xiàn)機制

如3.1節(jié)所描述，通過路由協(xié)議的擴展，路由器可以學(xué)習(xí)到各個網(wǎng)段的路由MTU 值?；诼酚蓞f(xié)議擴展的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制過程如下：

（1）主機通過接收第一跳路由器的路由器通告消息，記錄到第一跳路由器鏈路的MTU 值；

（2）源主機向某一無PMTU 記錄的目的地址發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)時，以到第一跳路由器的MTU 值為最大包長發(fā)送數(shù)據(jù)包；

（3）第一跳路由器接收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)目的IPv6地址查找路由轉(zhuǎn)發(fā)表得到路由的MTU 值，該MTU 值與包長度比較，包長大于路由MTU時，第一跳路由器返回包超長ICMPv6包（包中攜帶路由MTU 信息）；

（4）源主機接收包超長ICMPv6消息，記錄到目的地址的PMTU 值，之后主機到該目的地址的數(shù)據(jù)最大長度都以該PMTU 值發(fā)送。

以上步驟中，（1）、（2）、（4）與現(xiàn)有PMTU 發(fā)現(xiàn)機制一致，對主機的PMTU 實現(xiàn)機制可以不用做改變。

3.3 新的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制的兼容性

網(wǎng)絡(luò)中路由器等設(shè)備通常由不同的廠商提供，并且現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)有IPv6的實驗網(wǎng)絡(luò)在運行，因此本文提出的基于路由協(xié)議的PMTU 機制需要解決兼容問題。本文主要考慮以下兩種情況：（1）同一路由協(xié)議支持MTU 擴展設(shè)備與不支持MTU 擴展設(shè)備間的兼容；（2）不同路由協(xié)議域之間的互通，例如RIPng支持?jǐn)U展、BGP不支持?jǐn)U展。

Figure 5 Routing protocol compatibility schematic diagram in new PMTU mechanism圖5 新PTMU 機制各協(xié)議兼容性示意圖

對于第一種情況，擴展后的路由協(xié)議提供網(wǎng)絡(luò)管理機制，網(wǎng)絡(luò)管理員通過配置命令控制協(xié)議是否使能路由MTU 擴展功能。如果對端設(shè)備不支持路由MTU 擴展，則本端設(shè)備也關(guān)閉擴展功能（協(xié)議包中不會攜帶MTU 域），此時網(wǎng)絡(luò)中仍然采用RFC1981的機制進(jìn)行PMTU 發(fā)現(xiàn)，不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

對于第二種情況，因為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的原因，一個網(wǎng)絡(luò)可能劃分成多個路由域，各個域運行不同的路由協(xié)議，可能有的域路由協(xié)議支持路由MTU 的擴展，其他的域則不支持。如圖5所示，RIPng域和OSPFv3域支持路由MTU 擴展，BGP4＋域則不支持（因R3不支持）。在網(wǎng)絡(luò)中為了實現(xiàn)全網(wǎng)連通，各路由域需要互相導(dǎo)入路由（即路由的重分配）。例如，R2左側(cè)接口運行RIPng、右側(cè)接口運行BGP4＋，在RIPng協(xié)議配置重分配BGP 路由功能，則RIPng域可以導(dǎo)入BGP4＋域的路由。同樣地，BG4＋也可以導(dǎo)入RIPng 的路由。通過路由重分配各路由協(xié)議域的路由互相導(dǎo)入，R1可以學(xué)習(xí)到主機2的路由。R2上使能某一路由協(xié)議的路由MTU 功能后，路由表中會記錄路由MTU值，而其他未使能路由MTU 擴展的協(xié)議學(xué)習(xí)到的路由的MTU 值記為0。R2上BGP4＋未支持路由MTU 功能，從R3學(xué)習(xí)到路由的MTU 值都記為0，RIPng 重分配BGP4＋路由時若發(fā)現(xiàn)路由MTU 為0，則取路由出接口的鏈路MTU 值記為該路由的路由MTU 值（即R2和R3間鏈路的MTU），之后R1就會學(xué)習(xí)到該條路由的MTU。

通過上述兼容方式，圖5中主機1向主機2發(fā)起PTMU 探測時，主機1第一個探測包以與R1間的鏈路MTU 1 500為包長發(fā)送；R1查找路由表得到路由MTU 1 300并通過ICMPv6包回應(yīng)給主機1；R3查找路由表發(fā)現(xiàn)路由出接口的MTU 值比包小，則將1 200回應(yīng)給主機1；因R4在OSPFv3域已經(jīng)學(xué)習(xí)到了主機2的路由MTU 1 000，R4將路由MTU 值通過ICMPv6包直接返回給主機1；主機1完成PTMU 的探測過程?？偣仓贿M(jìn)行三次PMTU 探測，而RFC1981的方式則需五次探測。

3.4 新的IPv6PMTU 發(fā)現(xiàn)機制性能分析

3.4.1 理論分析

路由協(xié)議的擴展需要在協(xié)議包中增加MTU域，在協(xié)議包中每條路由會增加四字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)帶寬，但在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定的情況下，路由協(xié)議并不需要頻繁地進(jìn)行路由通告（BGP 協(xié)議在拓?fù)浞€(wěn)定的情況下進(jìn)行一次路由交互就完成路由的學(xué)習(xí)，ISIS和OSPF則由域中指定路由器定時發(fā)出協(xié)議包刷新路由）；而RFC1981中的PMTU 探測機制每一臺端點主機或設(shè)備都需要在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行PMTU 探測（即使到同一目的地，在PTMU 老化后還需再次進(jìn)行PMTU 探測），探測包會占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)兩端端點越多，則網(wǎng)絡(luò)中PMTU 探測的探測包所占用的帶寬就越多。因路由協(xié)議MTU 擴展帶來的額外帶寬占用與路由規(guī)模有關(guān)，RFC1981中PMTU 探測帶寬占用與網(wǎng)絡(luò)中端點數(shù)目有關(guān)，而路由規(guī)模與端點數(shù)目沒有必然的關(guān)系，實驗部分將不做帶寬占用比較。

在網(wǎng)絡(luò)直徑為L 且每節(jié)點平均傳輸延時為T ms的情況下，采用RFC1981的方法最大會有L 次探測、（L＋1）＊L／2＊Tms的連接建立時延；而采用本文提出的新的PMTU 探測機制，最多有一次探測，2＊T ms的時延，即網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大不會帶來探測次數(shù)和時延的增大。實驗部分將主要對同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中兩種方式的探測次數(shù)和連接時延進(jìn)行比較。

3.4.2 仿真實驗

本文采用ns2 仿真工具［10］進(jìn)行拓?fù)淠M實驗。實驗網(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的鏈路MTU 在500～2 000 隨機產(chǎn)生、傳輸時延在1～5 ms隨機產(chǎn)生，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點模擬距離向量動態(tài)路由協(xié)議，在仿真網(wǎng)絡(luò)的兩端節(jié)點模擬IPv6主機的行為（兩端主機模擬TCP連接）。實驗過程中改變模擬網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目，記錄PMTU 探測次數(shù)和TCP連接建立時延。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

Table 1 Simulation test result used by ns2simulator表1 ns2網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)

仿真實驗結(jié)果表明，本文提出的基于路由協(xié)議的算法在探測次數(shù)和連接時延上都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的PMTU 探測機制。

3.4.3 實際應(yīng)用

以上提出的新的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制已經(jīng)在本文作者參與開發(fā)的路由器上實現(xiàn)，并搭建拓?fù)溥M(jìn)行了實驗（如圖6所示），在網(wǎng)絡(luò)中用SmartBits6000加背景流量和導(dǎo)入路由、使用N2X 儀表N5541A仿真IPTV 業(yè)務(wù)。

Figure 6 Actual equipment test topology圖6 實際設(shè)備測試拓?fù)?/p>

實驗過程中統(tǒng)計了R4路由器中RIPng路由協(xié)議在運行過程中CPU 時間占用和內(nèi)存資源占用情況，發(fā)現(xiàn)路由協(xié)議的擴展對路由器設(shè)備的CPU 資源占用沒有增加、對內(nèi)存資源的占用稍有增加（每條路由增加路由MTU 值存儲的4字節(jié)內(nèi)存占用），路由協(xié)議的擴展對同等規(guī)模的路由表的學(xué)習(xí)計算速度沒有任何影響。即對于路由協(xié)議的擴展沒有增加路由協(xié)議的時間和空間復(fù)雜度，擴展是可行的。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

拓?fù)鋵嶒灲Y(jié)果表明，采用新的機制時，連接到網(wǎng)絡(luò)中的主機最多只需要進(jìn)行一次PMTU 探測過程，在圖6 所示的拓?fù)淝闆r下，現(xiàn)在通用的RFC1981PMTU 路徑發(fā)現(xiàn)機制需要五次才能完成探測，多帶來10ms的IPTV 點播延時。在實際網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會更多，帶來的時延會更大。

Table 2 Complexity comparation result of routing protocol表2 路由協(xié)議擴展前后復(fù)雜度比較

4 結(jié)束語

本文通過分析現(xiàn)有IPv6 網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制和路由算法，提出了一種IPv6 網(wǎng)絡(luò)中基于路由協(xié)議的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制。通過對路由協(xié)議進(jìn)行擴展，在原有的路由信息中攜帶路由的MTU 值，使路由的MTU 在網(wǎng)絡(luò)中傳遞，執(zhí)行PMTU 探測的主機最多只需要向其第一跳路由器發(fā)送一次探測包。本文提出的PMTU 探測機制只需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端的路由協(xié)議做一定的擴展，主機端機制不用改變。在實際設(shè)備上進(jìn)行拓?fù)浼皹I(yè)務(wù)仿真測試的實驗結(jié)果表明，該機制可行，與現(xiàn)在最常用的PMTU 機制相比，該機制對探測次數(shù)及探測帶來的連接時延有非常大的改善（探測次數(shù)與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無關(guān)且最多探測一次、連接時延也只是第1跳路由器轉(zhuǎn)發(fā)時延的兩倍），因此具有創(chuàng)新性和實用價值。

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