李晉超

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與管理工程系，山西 長治 046011)

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基于OPNET下MTU最優(yōu)值仿真

李晉超

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與管理工程系，山西 長治 046011)

文章基于OPNET仿真平臺對MTU最優(yōu)值設(shè)置進(jìn)行了探討，通過OPNET仿真軟件建立文件傳輸協(xié)議FTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型，得出對MTU最優(yōu)值求解公式，并修改相關(guān)參數(shù)得到了仿真結(jié)果來驗(yàn)證MTU最優(yōu)值求解公式的準(zhǔn)確度，也對數(shù)據(jù)在多個(gè)路由器傳輸過程中的時(shí)間進(jìn)行了初步的分析，為以后的研究提供了依據(jù)。

OPNET; MTU; FTP; 最優(yōu)值

0 引言

在工作和生活中人們使用網(wǎng)絡(luò)的過程中經(jīng)常會碰到數(shù)據(jù)傳輸速度緩慢、觀看網(wǎng)絡(luò)視頻不夠流暢、網(wǎng)頁加載響應(yīng)時(shí)間長等情況，有時(shí)無法得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。最大傳輸單元(Maximum Transmission Unit，MTU)在數(shù)據(jù)傳輸中的影響經(jīng)常容易被忽略，其在數(shù)據(jù)傳輸中是一個(gè)非常重要的因素，直接影響傳輸速度、下載響應(yīng)時(shí)間等很多方面。文章利用當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET，創(chuàng)建文件傳輸協(xié)議 ( File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用模型并進(jìn)行仿真，對求解MTU最優(yōu)值進(jìn)行了初步的探討分析。

OPNET是網(wǎng)絡(luò)原理性研究和網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐兩方面完美結(jié)合的產(chǎn)物，國際上有大學(xué)用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，研究人員用來研究算法，電信運(yùn)營商用來驗(yàn)證方案。OPNET軟件被廣泛用于教育以及產(chǎn)業(yè)和政府部門，其結(jié)果的準(zhǔn)確性、豐富的功能以及使用的簡單性，特別是軍事領(lǐng)域上對防御應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)的建模[1]。

OPNET的主要特點(diǎn)：

(1)層次化、模塊化的建模機(jī)制。(2)提供了C/C++以及400多個(gè)核心函數(shù)，并且開放源代碼。(3)利用綜合分析工具做出詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)性能分析，其動(dòng)畫動(dòng)能展示模型的動(dòng)態(tài)過程[2]。

MTU是基于TCP/IP協(xié)議下傳輸數(shù)據(jù)報(bào)的最大值。對于TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層承載IP層數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)鏈路層的 MTU 值即為IP 層最大IP數(shù)據(jù)包的大小[3]。MTU值如同客車能夠容納最大值的乘客人數(shù)，如果超過最大規(guī)定人數(shù)是不符合法律規(guī)定的，是不允許上路運(yùn)營的，必須小于或等于最大規(guī)定人數(shù)數(shù)量。表1列出了幾種常見的MTU值。IP數(shù)據(jù)報(bào)由IP首部、TCP首部、應(yīng)用數(shù)據(jù)三部分組成，最大值不超過1500字節(jié)，如果超過這個(gè)數(shù)值的數(shù)據(jù)報(bào)就會在傳輸過程中被丟棄。

MTU值在一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中不一定是個(gè)常數(shù)，網(wǎng)絡(luò)中選路路由受到多方面的影響，有可能導(dǎo)致在來回兩個(gè)方向上數(shù)值不一樣。在傳輸過程的路徑中最小的MTU被稱作路徑MTU，它好像就是最窄的通道一樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包通過該設(shè)備時(shí)，必須符合該設(shè)備的MTU值才可以通過。這樣在網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)MTU值成為一個(gè)需要認(rèn)真考慮的問題，最優(yōu)MTU值為交互使用提供足夠快的響應(yīng)時(shí)間。

通過設(shè)置不同MTU值觀察其在FTP應(yīng)用的影響，主要有兩個(gè)問題。(1)如果數(shù)據(jù)報(bào)分成許多小的分片，那么通過網(wǎng)絡(luò)的總流量將大于當(dāng)今數(shù)據(jù)分成大分片的流量。這樣會影響到相同的傳輸速率下增加了下載時(shí)間，也加大了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。(2)當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)分成大的分片時(shí)，整體的時(shí)延大于分成小片的整體時(shí)延，增加了響應(yīng)時(shí)間。這樣看似矛盾的理論需要找出兼顧數(shù)據(jù)流量和響應(yīng)時(shí)間等方面的最佳MTU設(shè)置值，在構(gòu)建的模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行仿真，嘗試分析和找出對當(dāng)前FTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型性能影響最佳的MTU值。

表1 幾種常見的MTU

1 Command Mix(Get/Total)參數(shù)對建模的影響

1.1 OPNET軟件描述定義FTP的三個(gè)關(guān)鍵屬性

①Command Mix(Get/Total)即命令混合型(獲取/總量)②Inter-Request Time(seconds)即請求間隔時(shí)間(秒)，指定連續(xù)FTP操作之前的時(shí)間總量 ③File Size(bytes)即文件尺寸(字節(jié))，以字節(jié)為單位指定要傳輸?shù)奈募叽?。Command Mix(Get/Total)參數(shù)反映的是獲取所占的比例，比如Get/Total=0.7，那么Put/Total=0.3。考慮在傳輸過程中響應(yīng)時(shí)間的因素，設(shè)置n表示為網(wǎng)段內(nèi)電腦的臺數(shù)，r表示傳輸速率，y表示為響應(yīng)的數(shù)據(jù)的大小。

當(dāng)Get/Total=100%時(shí)，計(jì)算整體時(shí)間如下：①發(fā)送的時(shí)間為t1=n*512/r ②接收的時(shí)間為t2=n*y/r ③總時(shí)間為t=t1+t2= n*512/r+ n*y/r=n*(512+y)/r。當(dāng)Get/Total<100%時(shí), 包含下載和上傳兩個(gè)過程，設(shè)Get/Total=p((0≤p<1)),整體時(shí)間為：①發(fā)送時(shí)間為t1= [p*n*512+(1-p)*n*y ]/r ②接收的時(shí)間為t2= [p*n*y +(1-p)*n*512]/r ③總時(shí)間為t=t1+t2= [p*n*512+(1-p)*n*y + p*n*y+(1-p)*n*512] /r =n*(512+y)/r。

通過計(jì)算說明Get/Total<100%與Get/Total=100%時(shí)間相同，說明Get/Total的取值對建模沒有影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置Get/Total值為50%。

1.2 建模仿真

FTP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用對FTP服務(wù)的基本操作進(jìn)行了建模，常規(guī)的FTP應(yīng)用有很多條命令組成，但在FTP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中涉及仿真?zhèn)鬏數(shù)暮诵牡膬蓷l操作是put和get。put操作是把文件上傳到FTP服務(wù)器，get操作是將文件下載到客戶端，這兩個(gè)操作由控制和數(shù)據(jù)兩種消息類型組成?？刂葡⑹菍σ粋€(gè)文件的請求或?qū)σ粋€(gè)文件傳輸完成的確認(rèn)，數(shù)據(jù)消息是在客戶端和服務(wù)器之間進(jìn)行傳輸過程中的文件，控制消息尺寸總是512字節(jié)，而數(shù)據(jù)消息的尺寸是可以配置的。在OPNET軟件中FTP應(yīng)用只能對一次一個(gè)文件傳輸進(jìn)行建模，運(yùn)行在TCP基礎(chǔ)上，仿真?zhèn)鬏斶^程中為每一個(gè)文件傳輸操作打開一個(gè)獨(dú)立的TCP連接，不同于真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的是，這個(gè)FTP模型在同一TCP連接上一個(gè)文件傳輸操作的發(fā)送控制和數(shù)據(jù)消息進(jìn)行建模。

在OPNET中新建工程project_11,見圖1，為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境添加的配置分別為應(yīng)用配置 (Application Config)，業(yè)務(wù)配置 (Profile Config)。在應(yīng)用配置中設(shè)置FTP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用服務(wù)，每隔10秒鐘傳輸數(shù)據(jù)50000字節(jié)，下載和上傳比例各為50%。客戶機(jī)和服務(wù)器分別使用ppp_wkstn和ppp_server，客戶機(jī)與路由器、服務(wù)器與路由器使用PPP_DS1_int全雙工鏈路連接。(具體設(shè)置過程省去)在原來的基礎(chǔ)上復(fù)制四個(gè)場景，依次修改客戶機(jī)和服務(wù)器的MTU值， MTU值依次設(shè)置為1000、1500、2000、2500，選擇觀察FTP上傳響應(yīng)時(shí)間選項(xiàng)，運(yùn)行仿真時(shí)間均為500秒。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 network topologymap

圖2 上傳響應(yīng)時(shí)間對比Fig.2 The compare of upload the response time

2 針對模型MTU最優(yōu)值的討論

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)場景下，假設(shè)D為需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；MTU為最大傳輸單元；K是數(shù)據(jù)鏈路層和IP首部尺寸之和；R為傳輸速率；數(shù)據(jù)通過源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的遠(yuǎn)端點(diǎn)的時(shí)間為T。在本場景中忽略傳播和時(shí)延的時(shí)間，兩端之間傳輸數(shù)據(jù)可以用公式(1)表示：T傳輸時(shí)間=([D/MTU]+1)*(K+MTU)/R,因?yàn)镵值相對于MTU值過小，所以數(shù)據(jù)傳輸分塊可以表示為D/MTU， D/MTU值在計(jì)算過程中取最小整值，剩余的數(shù)據(jù)需要新的一塊，所以總塊數(shù)為[D/MTU]+1。通過對公式的整理，最優(yōu)MTU值表示為：MTU2=DK。代入本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)D為50000字節(jié)，K為40個(gè)字節(jié)，最終MTU值=1414。

復(fù)制場景，修改客戶機(jī)和服務(wù)器的MTU值均為1414并運(yùn)行仿真，結(jié)果與MTU值為1000、1500、2000、2500時(shí)上傳響應(yīng)時(shí)間作比較， 圖2中x軸表示仿真時(shí)間，y軸表示數(shù)據(jù)上傳響應(yīng)時(shí)間。比較圖2結(jié)果可知，當(dāng)MTU值設(shè)置為1414時(shí)，數(shù)據(jù)上傳響應(yīng)時(shí)間最短，服務(wù)響應(yīng)及時(shí)，傳輸效果最佳，圖中顯示結(jié)果符合公式推導(dǎo)結(jié)果。

復(fù)制場景，在參數(shù)不變的情況下增加兩個(gè)路由器，見圖3。路由器是存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，它們通常接收整個(gè)輸入分組，檢驗(yàn)包含IP檢驗(yàn)和IP首部，然后進(jìn)行選擇路由，最后開始發(fā)送輸出分組。假設(shè)傳輸總數(shù)據(jù)分為N塊，數(shù)據(jù)X為當(dāng)前最優(yōu)MTU值，不考慮數(shù)據(jù)在路由器傳輸?shù)臅r(shí)間和時(shí)延，由圖4可知經(jīng)過三個(gè)路由器時(shí)，在路由器之間分塊傳輸過程中增加了傳輸時(shí)間，每一跳的時(shí)間t=(D/N+40)*8/R,通過路由器傳輸總時(shí)間T=t*(N+1)。如果N值較大，會增加在路由器之間傳輸?shù)臅r(shí)間；N值過小，則會增加每一跳的時(shí)間。很顯然公式(1)不符合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)對最優(yōu)MTU值的求解，需要綜合考慮新模型各項(xiàng)條件重新推導(dǎo)計(jì)算公式。

3 結(jié)論

通過對FTP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用建模仿真，求出數(shù)據(jù)在單個(gè)路由器上傳輸時(shí)效果最佳的MTU值，在此基礎(chǔ)上分析研究數(shù)據(jù)在多個(gè)路由器之間傳輸?shù)那闆r，說明在新的網(wǎng)絡(luò)情況下需要對MTU最優(yōu)值建立不同的求解方式,今后會在更多的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行深入的研究，例如數(shù)據(jù)在隧道中、VPN等傳輸情況。隨著各種網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的出現(xiàn)，利用OPNET軟件建模仿真對求MTU最優(yōu)值問題提供了驗(yàn)證方案，對今后的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有著重要的意義，同時(shí)也對網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)提供了很好的參考模型。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 network topology map

圖4 數(shù)據(jù)在路由器之間傳輸Fig.4 Data transfer between routers

[1]Adarshpal S.Sethi.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真OPNET使用指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2]龍華. OPNET Modeler[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[3]杜從濤,劉紅云. MTU和MSS問題研究[J].信息通信,2014(6):103.

Simulation of MTU optimal value based on OPNET

LI Jin-chao

(Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering information & Management department， Changzhi Shanxi 046011， China)

Based on the OPNET simulation platform is discussed for the optimal value of MTU, The establishment of file transfer protocol FTP network service model through OPNET simulation software, The optimal value of MTU formula, And modify the relevant parameters obtained by the simulation results are presented to verify the formula for solving the optimal value of MTU accuracy, Carry out a preliminary analysis on the time data in a plurality of routers in the transmission process，Provides a basis for later study.

OPNET;MTU;FTP; optimal value

2014-11-10

李晉超(1983- )，男,山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與管理工程系講師、碩士。主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

TP393.01

A

1673-6125(2016)03-0008-03