程友清，余少華

（1.華中科技大學計算機學院，湖北 武漢 430074）；2.武漢郵電科學研究院，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)實用化的進程會逐步加快。在中國，各大運營商已經(jīng)陸續(xù)進行IPv6運營試點，從2010年開始，運營商選型測試開始要求設備廠商支持IPv6相關功能。

MTU（Maximum Transfer Unit）指的是網(wǎng)絡某鏈路中的最大傳輸單元，是網(wǎng)絡應用程序中封裝分組的重要參數(shù)，也是網(wǎng)絡優(yōu)化的重要指標。不同網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)限定的MTU 是不一樣的。PMTU（Path MTU）是指網(wǎng)絡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)絡系統(tǒng)一般不支持對IP 分組進行分片和重組功能，在IPv6 網(wǎng)絡中，PMTU 探測顯得尤其重要，它是優(yōu)化網(wǎng)絡傳輸性能的最重要方法。

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

互聯(lián)網(wǎng)工程任務組IETF 制定了一系列有關PMTU 探測的標準和建議，其中RFC1981［1］規(guī)定了IPv6 網(wǎng)絡各個協(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)絡實施PMTU 測量過程中TCP 層可能出現(xiàn)的問題制定了相應解決方案，這些問題包括路由黑洞效應、應答延遲效應以及最大傳輸單元確定等；另外，國內(nèi)外很多學者也對PMTU 的探測算法進行了研究［3～5］。以上PMTU 發(fā)現(xiàn)機制實質(zhì)都是從源主機到目的設備或主機逐步探測，沒有本質(zhì)上的改變。現(xiàn)在各設備廠商在實際的IPv6網(wǎng)絡產(chǎn)品中仍然采用RFC1981中制定的PMTU 發(fā)現(xiàn)機制。

根據(jù)RFC1981標準，IPv6網(wǎng)絡中在某一主機或設備向未知的目的端發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要先進行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?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)絡中，IPv6 數(shù)據(jù)依據(jù)IPv6 路由表進行轉(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］等學習生成。如圖1所示，路由器R1和R2之間可以運行路由協(xié)議，R1學習到目的主機網(wǎng)段的路由，R2學習到源主機網(wǎng)段的路由。在目前的網(wǎng)絡設備中，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，源端之后再用學到的MTU 值作為PMTU 進行數(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（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)定路由標簽可以用來標識路由條目是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)絡中各RIPng設備需要保持一致。

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）將路由條目報文進行擴展，增加4字節(jié)MTU 域，如圖4所示。在路由標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)議進行擴展之后，路由表轉(zhuǎn)發(fā)表也需進行擴展，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（report）報文時需要對代表路由MTU 值的域進行解析，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；當一臺路由器從不同的鄰居學習到同一網(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RIPng 路由器將學習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 的學習，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，路由器可以學習到各個網(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)絡中路由器等設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 擴展設備與不支持MTU 擴展設備間的兼容；（2）不同路由協(xié)議域之間的互通，例如RIPng支持擴展、BGP不支持擴展。

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)絡管理機制，網(wǎng)絡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。如果對端設備不支持路由MTU 擴展，則本端設備也關閉擴展功能（協(xié)議包中不會攜帶MTU 域），此時網(wǎng)絡中仍然采用RFC1981的機制進行PMTU 發(fā)現(xiàn)，不影響網(wǎng)絡的正常運行。

對于第二種情況，因為網(wǎng)絡規(guī)劃的原因，一個網(wǎng)絡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)絡中為了實現(xiàn)全網(wǎng)連通，各路由域需要互相導入路由（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域可以導入BGP4＋域的路由。同樣地，BG4＋也可以導入RIPng 的路由。通過路由重分配各路由協(xié)議域的路由互相導入，R1可以學習到主機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)議學習到的路由的MTU 值記為0。R2上BGP4＋未支持路由MTU 功能，從R3學習到路由的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就會學習到該條路由的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回應給主機1；因R4在OSPFv3域已經(jīng)學習到了主機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)絡帶寬，但在網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定的情況下，路由協(xié)議并不需要頻繁地進行路由通告（BGP 協(xié)議在拓撲穩(wěn)定的情況下進行一次路由交互就完成路由的學習，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備都需要在網(wǎng)絡中進行PMTU 探測（即使到同一目的地，在PTMU 老化后還需再次進行PMTU 探測），探測包會占用較多的網(wǎng)絡帶寬，網(wǎng)絡兩端端點越多，則網(wǎng)絡中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，RFC1981中PMTU 探測帶寬占用與網(wǎng)絡中端點數(shù)目有關，而路由規(guī)模與端點數(shù)目沒有必然的關系，實驗部分將不做帶寬占用比較。

在網(wǎng)絡直徑為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)絡環(huán)境中兩種方式的探測次數(shù)和連接時延進行比較。

3.4.2 仿真實驗

本文采用ns2 仿真工具［10］進行拓撲模擬實驗。實驗網(wǎng)絡為線性網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(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)，并搭建拓撲進行了實驗（如圖6所示），在網(wǎng)絡中用SmartBits6000加背景流量和導入路由、使用N2X 儀表N5541A仿真IPTV 業(yè)務。

Figure 6 Actual equipment test topology圖6 實際設備測試拓撲

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)模的路由表的學習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)議的時間和空間復雜度，擴展是可行的。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

拓撲實驗結(jié)果表明，采用新的機制時，連接到網(wǎng)絡中的主機最多只需要進行一次PMTU 探測過程，在圖6 所示的拓撲情況下，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)絡中網(wǎng)絡節(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)議擴展前后復雜度比較

4 結(jié)束語

本文通過分析現(xiàn)有IPv6 網(wǎng)絡中現(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)絡設備端的路由協(xié)議做一定的擴展，主機端機制不用改變。在實際設備上進行拓撲及業(yè)務仿真測試的實驗結(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)絡規(guī)模無關且最多探測一次、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。

［1］McCann J，Deering S，Mogul J.RFC1981－Path MTU discovery for IP version 6［EB／OL］.［1996－08－15］.http：／／www.ietf.org.

［2］Lahey K.RFC2923－TCP problems with path MTU discovery［EB／OL］.［2000－09－17］.http：／／www.ietf.org.

［3］Christenson N.Different MTUs in the network，sendmail performance tuning［EB／OL］.［2004－03－05］.http：／／www.sendmail.org.

［4］Huang Yong－feng，Zhang Ke.A hierarchical path MTU discovery method based on empiristic data［J］.ACTA Electronica Sinica，2007，35（10）：1865－1869.（in Chinese）

［5］Meng Xuan－jun，Tang Xiao－chun.Analyzing and researching on path MTU discovery algorithm［J］.Science Technology and Engineering，2009，9（24）：7395－7398.（in Chinese）

［6］Malkin G，Minnear R.RFC2080－RIPng for IPv6［EB／OL］.［1997－03－05］.http：／／www.ietf.org.

［7］Coltun R，F(xiàn)erguson D，Moy J，et al.RFC5340－OSPF for IPv6［EB／OL］.［2008－10－10］.http：／／www.ietf.org.

［8］Rekhter Y，Li T，Hares S，et al.RFC4271－A border gateway protocol 4 （BGP－4）［EB／OL］.［2006－05－16］.http：／／www.ietf.org.

［9］Hopps C.RFC5308－Routing IPv6 with IS－IS［EB／OL］.［2008－10－10］.www.ietf.org.

［10］Fall K.The ns manual［EB／OL］.［2011－04－20］.http：／／www.isi.edu／nsnam／ns／doc.

附中文參考文獻：

［4］黃永峰，張珂.基于經(jīng)驗值的分層PMTU 探測算法［J］.電子學報，2007，35（10）：1865－1869.

［5］孟選軍，湯小春.PMTU 探測算法分析與研究［J］.科學技術(shù)與工程，2009，9（24）：7395－7398.