提高IPv6數(shù)據(jù)包在LAN中傳輸效率的設(shè)計(jì)

鐘 銳，劉夏寧，陶智勇

(1.光纖通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074;2.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074)

IPv6是替代現(xiàn)行IPv4的下一代IP協(xié)議，具有比IPv4更為豐富的IP地址空間。作為提高互聯(lián)網(wǎng)容量的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，IPv6直接支撐著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展。雖然，IPv6已經(jīng)為大家所廣泛接受，但是普及速度始終相當(dāng)緩慢。不過(guò)，隨著各種智能終端的爆發(fā)，尤其是iPad和其他平板、智能手機(jī)的普及和良好的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，各種設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求猛增，將迅速催生IPv6的快速普及。但是與IPv4的頭部長(zhǎng)度20 byte相比，IPv6的40 byte的頭部長(zhǎng)度顯得過(guò)于龐大，過(guò)大的頭部開(kāi)銷(xiāo)在一定程度上影響著IPv6數(shù)據(jù)包的傳輸性能［1］。

眾所周知，大多數(shù)實(shí)時(shí)或交互性應(yīng)用的程序中經(jīng)常用一些小包，這些小包一般從幾個(gè)字節(jié)到幾百字節(jié)之間。因此IP包的負(fù)載數(shù)據(jù)長(zhǎng)度經(jīng)常與IP的報(bào)頭的長(zhǎng)度一樣，甚至更短。例如，90%的telnet和rlogin的數(shù)據(jù)包所傳送的用戶(hù)數(shù)據(jù)少于10 byte［2］。更極端的是用戶(hù)經(jīng)常用一個(gè)回車(chē)鍵或者其他鍵來(lái)回復(fù)消息，這些消息經(jīng)常是單個(gè)字符的。這些單字節(jié)的數(shù)據(jù)將用TCP和IPv6的頭部來(lái)傳送，結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度至少變?yōu)?1 byte(數(shù)據(jù)+IP頭部+TCP頭部(沒(méi)有任何選項(xiàng)的TCP頭部為20 byte))，無(wú)用的開(kāi)銷(xiāo)將達(dá)到6000%。因此在這樣的場(chǎng)景中，如何減少報(bào)頭的大小、提高有效數(shù)據(jù)所占的比重是需要關(guān)注的。

本文設(shè)計(jì)了在3種不同情況下通過(guò)去掉IPv6的頭部中的一些與在LAN中傳輸數(shù)據(jù)毫無(wú)相關(guān)的域或者一些域值可以從以太網(wǎng)幀頭中推測(cè)出的域的辦法來(lái)構(gòu)建新的IPv6頭部。使用這些設(shè)計(jì)，含IPv6報(bào)頭的數(shù)據(jù)包在LAN中傳輸數(shù)據(jù)的性能將顯著提高。

1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議，是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議集，它是為廣域網(wǎng)(WAN)設(shè)計(jì)的。因此在LAN中使用TCP/IP其實(shí)并不是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)镮Pv6報(bào)頭中的一些域(例如Flow label，Hop limit)只與在WAN中傳輸數(shù)據(jù)有關(guān)。除此之外，其他的一些域(例如Interface Identifier，Payload Length，IP version)也顯得多余，因?yàn)樗鼈兊闹翟跀?shù)據(jù)鏈路層的幀中也可以得到。因此通過(guò)有效的處理這些域，可以顯著提高IPv6數(shù)據(jù)包在LAN中傳輸?shù)男阅堋?/p>

通過(guò)科來(lái)網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)軟件來(lái)抓取局域網(wǎng)中的流量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(2 h)后，得到圖1，從圖中可以知道，TCP和IP 的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中占到了絕對(duì)的比重，超過(guò)了所以數(shù)據(jù)量的90%。這也證明了TCP/IP是互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)治協(xié)議。TCP/IP協(xié)議棧從底層到高層共分為4層，依次為網(wǎng)絡(luò)接口層、IP層、傳輸層和應(yīng)用層［3］。

圖1 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)(截圖)

TCP/IP協(xié)議棧的每一層都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，控制信息被添加到頭部，然后根據(jù)協(xié)議族將數(shù)據(jù)發(fā)送到模型中的下一層。圖2中顯示了典型的TCP/IP以太網(wǎng)幀，從該圖中可以看到，當(dāng)TCP/IP的數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中傳輸時(shí)，引入了很多額外的負(fù)載(圖2中淺色部分為有效數(shù)據(jù))。當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長(zhǎng)度很短時(shí)，相關(guān)的頭部在數(shù)據(jù)包中的比例很大。因此，對(duì)傳輸效率有著很大的影響。最極端的例子是用telnet遠(yuǎn)程登錄，每敲一下鍵盤(pán)就產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)只有1 byte的有效數(shù)據(jù)，卻要在這一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)上封裝TCP報(bào)頭和IP報(bào)頭，該包的大小為61 byte，導(dǎo)致IP的報(bào)頭占到了65.57%(40/61)。所以傳輸效率非常低下，急需改進(jìn)。對(duì)于大包來(lái)說(shuō)，與數(shù)據(jù)的封裝相比，報(bào)頭的長(zhǎng)度可以忽略不計(jì)，例如，如果一個(gè)IP包的有效負(fù)載高達(dá)1044 byte，則IP頭部只占到了3.69%。

圖2 典型的TCP/IP以太網(wǎng)幀

但是通過(guò)科來(lái)網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)軟件來(lái)抓取局域網(wǎng)中的流量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(2 h)后，得到圖3，從中可以看到:小于64 byte的數(shù)據(jù)包為56224個(gè)，65～127 byte的包為37813個(gè)，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的總包數(shù)為157884個(gè)，因此小于128 byte的包占數(shù)據(jù)量中的大部分，約為59.6%，而大于1024 byte的包只為28.3%。

圖3 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)(截圖)

因此，針對(duì)LAN中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量中大部分的包為小于128 byte的小包，而IPv6頭部卻有40 byte的情況。在本文中，提出了3種不同情況下旨在減少I(mǎi)Pv6頭部開(kāi)銷(xiāo)的設(shè)計(jì)，這3種設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的IPv6的頭部進(jìn)行一定的修改，使IP數(shù)據(jù)包在LAN中的傳輸效率更加高。這些設(shè)計(jì)對(duì)于LAN中的設(shè)備或LAN/WAN邊緣的路由器的layer2和layer3是透明的。在LAN中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包將按照本文設(shè)計(jì)的IPv6報(bào)頭進(jìn)行傳輸，而到WAN中的數(shù)據(jù)包的IPv6報(bào)頭將在LAN邊緣的路由器被還原成標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報(bào)頭格式。

2 新設(shè)計(jì)的IPv6報(bào)頭

新設(shè)計(jì)的IPv6的頭部是在標(biāo)準(zhǔn)頭部的基礎(chǔ)上把一些在LAN中傳輸數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)或冗余的域去掉。圖4為標(biāo)準(zhǔn)的IPV6的報(bào)頭格式。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的IPv6的報(bào)頭格式

2.1 LAN到LAN的情況

如果一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的源和目的在同一個(gè)鏈路上，那么稱(chēng)這個(gè)目的地址對(duì)于這個(gè)源地址是在線(xiàn)(On-Link)的［4］。在源主機(jī)向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，源和目的IP地址、版本、流量類(lèi)型、流標(biāo)簽和有效載荷長(zhǎng)度字段都可以去掉。對(duì)只在本地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包來(lái)說(shuō)，跳數(shù)限制(Hop Limit)為1(當(dāng)路由器收到一個(gè)IPv6報(bào)頭中的跳數(shù)限制字段值為1的數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)包并向源主機(jī)發(fā)送ICMPv6超時(shí)報(bào)文)，因此Hop Limit也可以去掉。去掉這些域后，剩下的IPv6報(bào)頭將如圖5所示。從圖5中可以看到，為只在LAN中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)設(shè)計(jì)的IPv6報(bào)頭從原來(lái)的40 byte減少到1 byte。新設(shè)計(jì)的IPv6報(bào)頭將在源主機(jī)封裝成幀然后發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)。在目標(biāo)機(jī)中，在該包交付給網(wǎng)絡(luò)層前，該包中的IPv6頭部將先被還原成標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報(bào)頭。因?yàn)樵粗鳈C(jī)和目標(biāo)機(jī)在同一個(gè)局域網(wǎng)中，所以它們的網(wǎng)絡(luò)前綴就是標(biāo)準(zhǔn)的Link-local前綴，該前綴值可以作為源和目的地址的前綴值，而Interface-ID的值則可以從以太網(wǎng)的幀頭中提取出來(lái)，在幀中的源和目標(biāo)MAC地址轉(zhuǎn)換成EUI-64格式［5-6］，轉(zhuǎn)換方法為:

圖5 LAN到LAN情況用IPv6報(bào)頭

1)將48位的MAC地址從中間分開(kāi)，插入一個(gè)固定數(shù)值FFFE:0050:3EE4:4C00—＞ 0050:3EFF:FEE4:4C00。

2)將第7個(gè)比特位反轉(zhuǎn)，如果原來(lái)是0，就變?yōu)?，如果原來(lái)是1，就變?yōu)?，0050:3EFF:FEE4:4C00—＞ 0250:3EFF:FEE4:4C00。

3)加上前綴FE80::0250:3EFF:FEE4:4C00這就是一個(gè)完整的IPv6地址)，然后加上網(wǎng)絡(luò)前綴得到128 bit的源和目標(biāo)IP地址。版本和有效負(fù)載長(zhǎng)度的值也可以從以太網(wǎng)幀中獲取，而流量類(lèi)型和流標(biāo)簽的值則可以設(shè)置為0。在重組成含標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報(bào)頭的包后，該包就可以提交到網(wǎng)絡(luò)層然后就可以像正常情況下一樣處理該包。

2.2 WAN到LAN的情況

當(dāng)源主機(jī)在WAN中，而目標(biāo)主機(jī)在一個(gè)LAN中時(shí)，數(shù)據(jù)包會(huì)先傳送到邊緣路由器，然后邊緣路由器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查然后找到LAN中的目標(biāo)主機(jī)［7］。因此，在邊緣路由器上數(shù)據(jù)包的報(bào)頭可以重新設(shè)計(jì)，以便于更快捷地把該包發(fā)送給LAN中的目標(biāo)主機(jī)。包中的目標(biāo)主機(jī)的IP地址、流量類(lèi)型、負(fù)載長(zhǎng)度、跳數(shù)限制可以去除，只保留版本號(hào)、流標(biāo)簽、Next Header和源主機(jī)的IP地址。此時(shí)，包含著重新設(shè)計(jì)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包將在數(shù)據(jù)鏈路層封裝成幀然后發(fā)送給目標(biāo)主機(jī)。在目標(biāo)主機(jī)上，該包的IPv6頭部在該包傳送到網(wǎng)絡(luò)層之前又可以恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)頭部的格式。在這個(gè)恢復(fù)過(guò)程中，版本號(hào)和負(fù)載長(zhǎng)度的域值可以從以太網(wǎng)的幀頭中讀取到;而在IPv6中，IP地址被分割為前綴部分和接口ID［8-9］，因此目的地址可以由路由通告的標(biāo)準(zhǔn)的全局前綴加上從以太網(wǎng)的幀頭中獲取到的目的MAC地址的接口ID組成。流量類(lèi)型和流標(biāo)簽的域值則可以設(shè)置為0。包含著已經(jīng)成標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)的IPv6報(bào)頭的數(shù)據(jù)包就可以傳送到網(wǎng)絡(luò)層，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，該設(shè)計(jì)使得IPv6的數(shù)據(jù)包的報(bào)頭長(zhǎng)度從40 byte減少到20 byte。圖6為WAN到LAN情況用IPv6報(bào)頭。

圖6 WAN到LAN情況用IPv6報(bào)頭

2.3 LAN到WAN的情況

當(dāng)源主機(jī)在LAN中，而目標(biāo)主機(jī)在WAN中的情況下。目標(biāo)主機(jī)將有一個(gè)全局的IPv6地址［10］，如果是這種情況，可以設(shè)計(jì)另一種IPv6報(bào)頭，去掉源IP地址，保留目地地址;此外，流量類(lèi)型、負(fù)載長(zhǎng)度、跳數(shù)限制都可以去掉，流標(biāo)簽則保存。此時(shí)包含新的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包將傳送給數(shù)據(jù)鏈路層，封裝成幀并發(fā)送給邊緣路由器。在邊緣路由器上，該數(shù)據(jù)包在被傳送給網(wǎng)絡(luò)層之前，里面的IPv6頭部就可以被恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)格式。負(fù)載長(zhǎng)度的值可以從以太網(wǎng)幀的頭部中獲得，跳數(shù)限制的值將被設(shè)置為默認(rèn)值，流量類(lèi)型的值如果沒(méi)有在邊緣路由器上特別設(shè)置的話(huà)就直接設(shè)置為0，從邊緣路由器中獲得的源IP地址的前綴加上從以太網(wǎng)中幀中獲得的接口ID就可以組成標(biāo)準(zhǔn)的源IP地址。當(dāng)該數(shù)據(jù)包中的IP頭部被恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)格式后，該數(shù)據(jù)包就可以傳送到網(wǎng)絡(luò)層，然后發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)。該設(shè)計(jì)使得IPv6的數(shù)據(jù)包的報(bào)頭長(zhǎng)度從40 byte減少到了20 byte，圖7為L(zhǎng)AN到WAN情況用IPv6報(bào)頭。

圖7 LAN到WAN情況用IPv6報(bào)頭

從上面3種情況可以看到，新設(shè)計(jì)的3種IPv6頭部使得壓縮IPv6頭部以及整個(gè)數(shù)據(jù)包的大小成為了可能。通過(guò)理論計(jì)算，可以得到圖8，從圖中可以直觀地看到標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭部和新設(shè)計(jì)的頭部在LAN中傳輸?shù)男?。?duì)于128 byte和256 byte的數(shù)據(jù)包，使用新設(shè)計(jì)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包的傳輸效率比使用標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包的傳輸效率最高可達(dá)71%((60-35)/35)和23%((80-65)/65)。因此，可以得出，對(duì)于小包，使用新設(shè)計(jì)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包的傳輸效率要明顯高于使用標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭部的數(shù)據(jù)包。這對(duì)于在帶寬受限的WLAN中傳輸IPv6小包有著重要的意義。

圖8 在100 Mbit/s上幀長(zhǎng)與吞吐量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

頭部的長(zhǎng)度對(duì)協(xié)議的性能在兩個(gè)方面有著影響:第一，過(guò)大的頭部將增加數(shù)據(jù)包交換和傳輸?shù)难訒r(shí);第二，過(guò)大的報(bào)頭會(huì)占據(jù)過(guò)量的帶寬，從而降低了鏈路的吞吐量。如果數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)部分占的比例很大，則該影響可以忽略不計(jì);但是如果數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)部分在整個(gè)包中占的比例很小，則該影響會(huì)很大。

在本文中，介紹并且討論了使用新設(shè)計(jì)的3種IPv6頭部來(lái)減少在局域網(wǎng)數(shù)據(jù)流中IPv6報(bào)頭大小。該方法減小了其頭部乃至整個(gè)數(shù)據(jù)包的大小，從而使得傳輸IPv6數(shù)據(jù)包(特別是小包)的LAN中的傳輸效率有著顯著的改善。

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