IPv6 PMTU探測技術及仿真實驗

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.現代教學技術教育部重點實驗室，西安 710119）

0 引言

在IPv4網絡傳輸中，當一個數據包大于硬件接口的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）[1]時，網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]。該功能實現了大塊數據分片傳送，但它會使網絡中數據碎片增多、路由器負荷加重，導致網絡出現擁塞、丟包現象[1,5]。路徑最大傳輸單元（Path MTU,PMTU）是從發送端到接收端之間所有數據鏈路中最小的MTU值[5]。PMTU探測技術能有效地減少分片，提高網絡傳輸效率[6]，但在當前網絡中，常常由于防火墻、VPN等網關設備丟棄ICMP差錯控制報文,導致PMTU探測技術不能正常運轉[6-7]。

在IPv6網絡環境中，IPv6報文中沒有分片與重組字段[8-9]，數據分段只能由源節點進行，中間路由器不允許對數據進行分段[10-11]，發送端需要利用PMTU探測技術來感知傳輸路徑的最大傳輸單元，以此控制發送的最大數據包的長度[1]。因此，在IPv6網絡中，PMTU探測技術成為了實現網絡數據傳輸的關鍵技術[12]。

1 概述

PMTU探測技術的基本原理是發送端將到達某一節點的PMTU值假定為第一段鏈路的MTU值，按照假定的長度發送數據包。中間節點在轉發數據包時，若發現數據包長度大于下一跳鏈路的MTU值，那么該節點將會丟棄數據包并回復一個ICMPv6數據包過大報文給發送端。發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探測過程結束[13-14]。

2 IPv6 PMTU探測技術仿真實驗

2.1 實驗環境搭建

在Oracle VM VirtualBox虛擬機上使用H3C Cloud Lab平臺搭建了IPv6網絡，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為發送端，PC_B為接收端，RT_1、RT_2為轉發路由器：

圖1 實驗拓撲圖

2.2 發送端MTU值對初始PMTU值影響

（1）實驗過程

①分別設置發送端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發送4500字節數據。

③使用Wireshark抓包查看發送端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）結果分析

發送端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，發送端發送數據時，初始PMTU值等于發送接口的MTU值，與相連路由器的接口無關。

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、最小鏈路是轉發路由器RT_2（實驗數據如表2、表3所示），具體配置過程如表4所示，圖4、圖5為實驗數據一的配置結果。

表2 實驗數據一

表3 實驗數據二

表4 實驗配置

圖4 實驗數據一，最小鏈路是PC_B配置結果

②PC_A向PC_B發送4500字節數據。

③數據傳輸完成后，在發送端PC_A處查看其到接收端PC_B的數據鏈路的PMTU值。圖6為實驗數據一，最小鏈路是接收端PC_B時的PMTU值。

圖6 實驗數據一，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，分析數據的發送過程。

（2）結果分析

接收端MTU值對PMTU的影響實驗結果如表5、表6所示：

表5 數據一實驗結果

表6 數據二實驗結果

兩個實驗數據的發送接口的MTU值都為1500，所以初始PMTU值都是1500。

通過抓包分析可知，在實驗數據一中，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，在轉發路由器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。

在實驗數據二中，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，之后在轉發路由器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值變為1360。

圖7 ICMPv6差錯報文

結論：當較大鏈路向較小鏈路發送數據包且該數據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發路由器時，在轉發時丟包，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配置結果

②PC_A向PC_B發送4500字節數據，查看數據丟包情況。

③數據傳輸完成后，在發送端PC_A處查看其到接收端PC_B的數據鏈路的PMTU值。圖9為鏈路狀況是大小中鏈路，具體數據為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，分析數據的發送過程。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值影響實驗結果

通過抓包分析可知，當較大鏈路向較小鏈路發送報文時，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送報文時，不會丟包。

通過抓包發現，有些鏈路中接收端實際收到的包與發送端顯示的丟包情況不符合，這是因為當接收端收到數據后，在回復報文時也遵循PMTU探測技術，在中間較小鏈路也會丟包，發送端未收到回復，認為數據已丟失。

結論：IPv6網絡環境中，在不同鏈路狀態下，路由器轉發數據都遵循PMTU探測技術。由于遵循PMTU探測技術，當中間鏈路的MTU值小于兩端時，發送端顯示的丟包情況可能與接收端實際收到數據包的情況不符。

2.5 靜態PMTU對報文傳輸的影響

上述實驗通過分別設置發送端、接收端以及傳輸鏈路的MTU值，研究了PMTU值的變化。在此過程中發現，IPv6網絡的PMTU的類型既有動態類型（Dynamic），又有靜態類型（Static）。為此，針對IPv6靜態PMTU值對報文傳輸的影響開展研究。

（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在發送端PC_A中分別設置其到接收端PC_B的數據鏈路的靜態PMTU值為1380、1360、1300，圖12所示為在PC_A中設置靜態PMTU值為1380。

圖11 鏈路1500→1360→1420，靜態PMTU值為1380

圖12 設置靜態PMTU值為1380

③PC_A向PC_B發送4500字節數據，如圖13所示。

圖13 PC_A向PC_B發送4500字節數據

④數據傳輸完成后，在發送端PC_A處查看其到接收端PC_B的數據鏈路的PMTU值，在各個接口處抓包分析報文的發送過程。

圖14 靜態PMTU為1380時PMTU值

（2）結果分析

上述實驗中，在發送端的靜態PMTU值不同的情況下，數據丟包情況以及丟包率如表9所示。

表9 靜態PMTU值對報文傳輸的影響實驗結果

對發送過程進行抓包分析，發現發送端總是以靜態PMTU的大小發送數據。當靜態PMTU值為1380時，PC_A以1380的大小發送數據，轉發路由器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繼續以1380發送，全部丟包；當靜態PMTU值為1360和1300時，PC_A分別以1360和1300的大小發送數據，無丟包現象。

結論：當路由器配置了靜態PMTU時，ICMPv6差錯報文中的MTU值不會改變發送端PMTU值的大小，PMTU探測技術不再起作用。

3 結語

本文利用H3C Cloud Lab平臺對IPv6網絡中的PMTU探測技術進行了深入研究。發現IPv6網絡可以有效地支持PMTU探測技術，通過避免中間路由器多次分片來減少網絡中報文碎片、減少路由器的負荷，從而提高網絡傳輸效率。

實驗結果表明，在IPv6網絡的數據傳輸中，當路由器配置動態PMTU時，數據包的大小由PMTU值決定，PMTU值由路由器發送接口與鏈路中轉發數據的最小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PMTU時，PMTU探測技術不再起作用。因此，靜態PMTU值不適合運用于動態網絡中，在只有靜態路由的網絡中，配置一定的靜態PMTU值可以提高鏈路層的傳輸效率。