基于局域網(wǎng)內(nèi)WindoWs下的TCP PMTUD仿真實(shí)驗(yàn)

耿玥+胡曦明

摘要：為研究TCP路徑MTU發(fā)現(xiàn)機(jī)制機(jī)理實(shí)現(xiàn)過(guò)程，利用華三模擬器和虛擬機(jī)搭建局域網(wǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)出了具體的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)使用FTP協(xié)議傳輸TCP數(shù)據(jù)包，結(jié)合協(xié)議分析捕獲TCP報(bào)文，驗(yàn)證TCP協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)基于WINDOWS平臺(tái)下的路徑MTU發(fā)現(xiàn)機(jī)制工作過(guò)程，展示了TCP在遇到大的數(shù)據(jù)包時(shí)的分片問(wèn)題，就實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。研究表明，在基于Windows平臺(tái)搭建的局域網(wǎng)的環(huán)境下，TCP路徑MTU探測(cè)機(jī)制并不能正常工作，從主機(jī)環(huán)境和路由器兩方面分析原因，多種因素導(dǎo)致TCP路徑MTU探測(cè)機(jī)制失效，引起IP分片問(wèn)題，影響網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：PMTUD；TCP；MTU；IP分片；協(xié)議分析

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求也不斷提高。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜，導(dǎo)致在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)出現(xiàn)擁塞、丟包等問(wèn)題。IP分片是網(wǎng)絡(luò)上傳輸報(bào)文的一種技術(shù)手段，在從一個(gè)具有較大MTU的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)具有較小MTU的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由器需要把大的IP數(shù)據(jù)報(bào)分割成小的IP數(shù)據(jù)報(bào)分片，此過(guò)程成為IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片，分片算法主要解決不同網(wǎng)絡(luò)之間最大傳輸單元（MTU）不同的問(wèn)題。IP分片技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中尤為重要，在業(yè)務(wù)流識(shí)別技術(shù)中，針對(duì)IP分片識(shí)別，提出了一種高速有效、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的”首片法利用數(shù)據(jù)包分片技術(shù)和Winpcap網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)提高了音、視頻應(yīng)用傳輸質(zhì)量。但是IP分片技術(shù)也引起不少問(wèn)題，當(dāng)傳輸一個(gè)大的數(shù)據(jù)包時(shí)，丟失一片數(shù)據(jù)包都會(huì)引起重傳，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低，分析了IP分片對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包率和延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的影響；闡述了與UDP大包分片有關(guān)的故障案例。IP分片重組有不同的算法，采用“伸展樹(shù)”這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效的IP分片重組。另一方面，也可以通過(guò)對(duì)MTU的研究避免IP分片，目前主流的PMTU探測(cè)算法，如遞增法，遞減法，分層探測(cè)算法，以及有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)整體規(guī)劃MTU以避免IP分片的觀點(diǎn)。本文主要介紹了TCP的路徑MTU探測(cè)機(jī)制機(jī)理，通過(guò)具體的仿真實(shí)驗(yàn)，探索在局域網(wǎng)內(nèi)windows環(huán)境下TCP路徑MTU發(fā)現(xiàn)過(guò)程，以及其對(duì)IP分片問(wèn)題的影響。

1TCP路徑MTU發(fā)現(xiàn)機(jī)制機(jī)理

在和對(duì)端程序建立TCP連接的時(shí)候，雙方要在第一個(gè)SYN報(bào)文中通報(bào)自己接口的MTU值，然后采用雙方中最小的那個(gè)MTU值傳輸數(shù)據(jù)。一旦選定了起始的報(bào)文段大小，在該連接上的所有被TCP發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)都將被設(shè)置DF比特。如果某個(gè)中間路由器的接口不能發(fā)送1500的IP包的時(shí)候則需要對(duì)一個(gè)設(shè)置了DF標(biāo)志的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片，它就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，并產(chǎn)生一個(gè)ICMP的“不能分片”差錯(cuò)。如果發(fā)送端收到這個(gè)ICMP差錯(cuò)，TCP就減少段大小并進(jìn)行重傳：如果路由器產(chǎn)生的是一個(gè)較新的該類ICMP差錯(cuò)，則報(bào)文段大小被設(shè)置為下一跳的MTU減去IP和TCP的首部長(zhǎng)度。如果是一個(gè)較舊的該類ICMP差錯(cuò)，則必須嘗試下一個(gè)可能的最小 MTU。

由于路由可以動(dòng)態(tài)變化，因此在最后一次減少路徑MTU的一段時(shí)間以后，可以嘗試使用一個(gè)較大的值（直到等于對(duì)端聲明的MSS或用新版ICMP輸出接口MTU的最小值）。RFCll91推薦這個(gè)時(shí)間間隔為10分鐘。

圖1是建立的一個(gè)簡(jiǎn)單的模型：

當(dāng)本地通訊端嘗試發(fā)送一個(gè)588字節(jié)的且DF位置位的較大數(shù)據(jù)包時(shí)，路由器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PTB消息，指出適合下一跳鏈路的最大傳輸單元大小為288字節(jié)。在收到這個(gè)PTB消息后，TCP在發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)按照指示選擇288字節(jié)作為響應(yīng)。

路徑MTU發(fā)現(xiàn)過(guò)程是一種TCP明確的嘗試調(diào)整段大小的方法，它適用于TCP鏈接建立之后，至少是在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)。

2TCP路徑MTU發(fā)現(xiàn)機(jī)制仿真實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1）應(yīng)用軟件：華三模擬器、Oracle VM VirtualBox、Wear—shark；

2）實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D：

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1不更改路由器端口MTU值下的實(shí)驗(yàn)

路由器0/0端口MTU=1500，主機(jī)與FTP服務(wù)器建立連接，傳輸271字節(jié)數(shù)據(jù)

1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主機(jī)成功收到服務(wù)器發(fā)送的271字節(jié)數(shù)據(jù)。

2.2.2更改路由器端口MTU值下的實(shí)驗(yàn)

設(shè)置路由器0/0端口mtu=200，鏈接FTP服務(wù)器

1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主機(jī)成功收到服務(wù)器發(fā)送的271字節(jié)的數(shù)據(jù)

由此實(shí)驗(yàn)可以看出，服務(wù)器在第三次重傳數(shù)據(jù)時(shí)把DF置0，然后路由器把這個(gè)大的數(shù)據(jù)包分成兩個(gè)小包，第一個(gè)包有176字節(jié)數(shù)據(jù)，第二個(gè)包有95字節(jié)的數(shù)據(jù)，兩次包加起來(lái)正好是271字節(jié)的數(shù)據(jù)包。因而被主機(jī)完整接受。

2.3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本次試驗(yàn)中并沒(méi)有抓到ICMP PTB報(bào)文，從兩個(gè)方面分析原因：

（1）路由器

從思科官網(wǎng)查找到信息：

1）路由器丟包，并且不發(fā)送ICMP。

（2）路由器可以生成并發(fā)送ICMP消息膽ICMP消息被一個(gè)路由器或防火墻阻止這個(gè)路由器和發(fā)送方之間。

（2）主機(jī)

在關(guān)閉防火墻情況下，仍未抓到，對(duì)比文獻(xiàn)第13章做的實(shí)驗(yàn)，分析出是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和主機(jī)操作系統(tǒng)因素造成的。

3結(jié)論

在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，常常由于防火墻、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等問(wèn)題導(dǎo)致PMTUD不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使得中間路由器對(duì)大數(shù)據(jù)包進(jìn)行l(wèi)P分片，影響資源利用率。當(dāng)分片丟失造成重傳時(shí)，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)性能嚴(yán)重降低，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況。路徑MTU探測(cè)機(jī)制在一定程度上可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，避免IP分片，值得我們推廣應(yīng)用。