IPv6 PMTU探测技术及仿真实验

王悦悦，胡曦明，2，马苗，2，李鹏，2

（1.陕西师范大学计算机科学学院，西安 710119；2.现代教学技术教育部重点实验室，西安 710119）

0 引言

在IPv4网络传输中，当一个数据包大于硬件接口的最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）[1]时，网络层会对其进行分片[2]，保证每个分片都小于对应接口的MTU值[3-4]。该功能实现了大块数据分片传送，但它会使网络中数据碎片增多、路由器负荷加重，导致网络出现拥塞、丢包现象[1,5]。路径最大传输单元（Path MTU,PMTU）是从发送端到接收端之间所有数据链路中最小的MTU值[5]。PMTU探测技术能有效地减少分片，提高网络传输效率[6]，但在当前网络中，常常由于防火墙、VPN等网关设备丢弃ICMP差错控制报文,导致PMTU探测技术不能正常运转[6-7]。

在IPv6网络环境中，IPv6报文中没有分片与重组字段[8-9]，数据分段只能由源节点进行，中间路由器不允许对数据进行分段[10-11]，发送端需要利用PMTU探测技术来感知传输路径的最大传输单元，以此控制发送的最大数据包的长度[1]。因此，在IPv6网络中，PMTU探测技术成为了实现网络数据传输的关键技术[12]。

1 概述

PMTU探测技术的基本原理是发送端将到达某一节点的PMTU值假定为第一段链路的MTU值，按照假定的长度发送数据包。中间节点在转发数据包时，若发现数据包长度大于下一跳链路的MTU值，那么该节点将会丢弃数据包并回复一个ICMPv6数据包过大报文给发送端。发送端收到差错报文后，会将PMTU值修改为该报文中携带的MTU值。当假定的PMTU值小于或等于实际的PMTU时，PMTU探测过程结束[13-14]。

2 IPv6 PMTU探测技术仿真实验

2.1 实验环境搭建

在Oracle VM VirtualBox虚拟机上使用H3C Cloud Lab平台搭建了IPv6网络，在该平台上进行仿真实验，实验拓扑图如图1所示，其中PC_A为发送端，PC_B为接收端，RT_1、RT_2为转发路由器：

图1 实验拓扑图

2.2 发送端MTU值对初始PMTU值影响

（1）实验过程

①分别设置发送端PC_A的出接口GE_0/1的MTU值为1500、1420、1360，其余路由器接口的MTU值为1500。

图2 PC_A的出接口GE_0/1的MTU值为1500

②PC_A向PC_B发送4500字节数据。

③使用Wireshark抓包查看发送端PC_A的出接口GE_0/1处初始报文的大小，图3所示为PC_A的出接口GE_0/1在其MTU值为1500时的初始报文。

图3 PC_A出接口GE_0/1处的初始报文

（2）结果分析

发送端PC_A的出接口GE_0/1在其MTU值分别为1500、1420、1360时，初始报文的大小以及初始PMTU值如表1所示：

表1 PC_A的MTU值不同时初始报文大小及初始PMTU值

由表1可知，发送端发送数据时，初始PMTU值等于发送接口的MTU值，与相连路由器的接口无关。

2.3 接收端MTU值对PMTU的影响

（1）实验过程

①分别设置最小链路是接收端PC_B、最小链路是转发路由器RT_2（实验数据如表2、表3所示），具体配置过程如表4所示，图4、图5为实验数据一的配置结果。

表2 实验数据一

表3 实验数据二

表4 实验配置

图4 实验数据一，最小链路是PC_B配置结果

②PC_A向PC_B发送4500字节数据。

③数据传输完成后，在发送端PC_A处查看其到接收端PC_B的数据链路的PMTU值。图6为实验数据一，最小链路是接收端PC_B时的PMTU值。

图6 实验数据一，最小链路是PC_B时的PMTU值

④分别在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处抓包，分析数据的发送过程。

（2）结果分析

接收端MTU值对PMTU的影响实验结果如表5、表6所示：

表5 数据一实验结果

表6 数据二实验结果

两个实验数据的发送接口的MTU值都为1500，所以初始PMTU值都是1500。

通过抓包分析可知，在实验数据一中，当链路状况为1500→420时，没有丢包，PMTU值不变；当链路状况为1500→1420→1420时，在转发路由器RT_2的接口GE_0/0处丢一个包，回复差错报文，PC_A将其到PC_B的PMTU值修改为1420。

在实验数据二中，当链路状况为1500→1420→1360时，只在RT_2的接口GE_0/0处丢包，回复差错报文，PC_A将PMTU值修改为1420；当链路状况为1500→1420→1360→1360时，在RT_1接口GE_0/0处丢一个包，PC_A将PMTU值修改为1420，之后在转发路由器RT_2接口GE_0/0处再次丢包，再次回复差错报文（图7为ICMPv6差错报文），PMTU值变为1360。

图7 ICMPv6差错报文

结论：当较大链路向较小链路发送数据包且该数据包长度大于较小链路的MTU值时，若较小链路是接收端，不会回复差错报文，直接接收；若较小链路的路由器是转发路由器时，在转发时丢包，回复ICMPv6差错报文。因此，接收端链路状况不会改变PMTU值。

2.4 不同链路状况对PMTU值影响

（1）实验过程

①设置不同链路状况（如表7所示）。如图8，设置RT_2接口GE_0/0和GE_0/1的MTU值为1360，PC_B接口GE_0/0的MTU值为1420，其余路由器接口的MTU值为1500，整个链路状况为1500→1360→1420，为大小中链路。

表7 不同的链路状况

图8 链路状况为1500→1360→1420配置结果

②PC_A向PC_B发送4500字节数据，查看数据丢包情况。

③数据传输完成后，在发送端PC_A处查看其到接收端PC_B的数据链路的PMTU值。图9为链路状况是大小中链路，具体数据为1500→1360→1420时PMTU值。

图9 链路状况为150→136→1420时PMTU值

④分别在PC_A的GE_0/1，RT_1和RT_2的GE_0/0、GE_0/1，PC_B的GE_0/0处抓包，分析数据的发送过程。图10为链路状况为1500→1360→1420时，在PC_A的接口GE_0/1处获取的报文。

图10 链路状况为1500→1360→1420报文

（2）结果分析

上述实验中，不同链路状况下PMTU值、丢包情况以及实际丢包率如表8所示。

表8 不同链路状况对PMTU值影响实验结果

通过抓包分析可知，当较大链路向较小链路发送报文时，若较小链路不是接收端，会丢一个包，回复ICMPv6差错报文，之后以较小链路的MTU值发送；若较小链路是接收端，不会丢包，直接接收。较小链路向较大链路发送报文时，不会丢包。

通过抓包发现，有些链路中接收端实际收到的包与发送端显示的丢包情况不符合，这是因为当接收端收到数据后，在回复报文时也遵循PMTU探测技术，在中间较小链路也会丢包，发送端未收到回复，认为数据已丢失。

结论：IPv6网络环境中，在不同链路状态下，路由器转发数据都遵循PMTU探测技术。由于遵循PMTU探测技术，当中间链路的MTU值小于两端时，发送端显示的丢包情况可能与接收端实际收到数据包的情况不符。

2.5 静态PMTU对报文传输的影响

上述实验通过分别设置发送端、接收端以及传输链路的MTU值，研究了PMTU值的变化。在此过程中发现，IPv6网络的PMTU的类型既有动态类型（Dynamic），又有静态类型（Static）。为此，针对IPv6静态PMTU值对报文传输的影响开展研究。

（1）实验过程

①设置RT_2接口GE_0/0和GE_0/1的MTU值为1360，PC_B接口GE_0/0的MTU值为1420，其余路由器接口的MTU值为1500，整个链路状况为1500→1360→1420。

②在发送端PC_A中分别设置其到接收端PC_B的数据链路的静态PMTU值为1380、1360、1300，图12所示为在PC_A中设置静态PMTU值为1380。

图11 链路1500→1360→1420，静态PMTU值为1380

图12 设置静态PMTU值为1380

③PC_A向PC_B发送4500字节数据，如图13所示。

图13 PC_A向PC_B发送4500字节数据

④数据传输完成后，在发送端PC_A处查看其到接收端PC_B的数据链路的PMTU值，在各个接口处抓包分析报文的发送过程。

图14 静态PMTU为1380时PMTU值

（2）结果分析

上述实验中，在发送端的静态PMTU值不同的情况下，数据丢包情况以及丢包率如表9所示。

表9 静态PMTU值对报文传输的影响实验结果

对发送过程进行抓包分析，发现发送端总是以静态PMTU的大小发送数据。当静态PMTU值为1380时，PC_A以1380的大小发送数据，转发路由器RT_2的接口GE_0/0处丢包，回复MTU值为1360的差错报文，但PC_A继续以1380发送，全部丢包；当静态PMTU值为1360和1300时，PC_A分别以1360和1300的大小发送数据，无丢包现象。

结论：当路由器配置了静态PMTU时，ICMPv6差错报文中的MTU值不会改变发送端PMTU值的大小，PMTU探测技术不再起作用。

3 结语

本文利用H3C Cloud Lab平台对IPv6网络中的PMTU探测技术进行了深入研究。发现IPv6网络可以有效地支持PMTU探测技术，通过避免中间路由器多次分片来减少网络中报文碎片、减少路由器的负荷，从而提高网络传输效率。

实验结果表明，在IPv6网络的数据传输中，当路由器配置动态PMTU时，数据包的大小由PMTU值决定，PMTU值由路由器发送接口与链路中转发数据的最小MTU值决定，不受接收端链路状况的影响。

相比之下，当路由器配置静态PMTU时，PMTU探测技术不再起作用。因此，静态PMTU值不适合运用于动态网络中，在只有静态路由的网络中，配置一定的静态PMTU值可以提高链路层的传输效率。