CN101573927A - 网络系统中的路径最大传输单元发现 - Google Patents

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Abstract

公开了一种方法、计算机程序产品、和数据处理系统，用于有效地发现路径MTU信息并将其存储在发送主机中。在优选实施例中，维护两个路径MTU表。一个路径MTU表包含对应于与发送主机关联的第一跳路由器的MTU值。另一路径MTU表包含对应于各个目的主机的MTU值。当发送主机需要向目的地发送信息时，其首先查询与各个目的主机关联的MTU表。如果在表中找到该目的主机的表项，则发送主机使用该MTU值。如果未找到，则发送主机查询在到目的主机的路径上的第一跳路由器的MTU表，并使用该MTU值。如果该MTU值太大，则在主机特定的MTU表中为目的主机建立新的表项。

Description

网络系统中的路径最大传输单元发现
技术领域
概括地说，本发明涉及计算机联网。
背景技术
现代电信依赖于网络。网络是这样一组互连的机器(网络元件)，其允许从源向目的地跨这组机器对数据进行中继。网络可根据它们占用的地理区域进行分类。通常，将局域网(LAN)限定为物理上限制在相对较小区域(例如建筑物或建筑群)的网络。广域网(WAN)是更大规模网络的总括。
互联网络(或互联网)是通过路由器互连的网络集合。路由器是在网络之间中继(路由)数据的网络元件。大部分WAN都是包括多个互连LAN的互联网。因此，术语WAN通常用于表示互联网，而术语LAN通常用于指示互联网或WAN的构成网络。在本文档中，从“互联网络”的意义上使用术语WAN和LAN，要指出的是，在大量计算和电信文献中，同样从先前所述的“地理”意义上使用术语LAN和WAN。为万维网提供骨干的“世界互联网”或简单的“互联网”(大写)可能是最为公知的网络(小写)，并且限定互联网的协议和标准为大部分当前联网技术限定了基本模型。因此，一般地，应用于互联网的技术同样应用于其他网络。
将互联网分成多个不同“自治系统”(AS)，每个自治系统包含在单个实体(例如大学或企业)的控制下的一个或多个路由器和/或LAN。路由器(在早期文献中有时还称为“网关”)是在网络之间中继(路由)数据的网络元件。路由器经由物理链路或有时经过无线链路连接至其他路由器。通过在物理链路上从路由器转发至路由器的方式经过互联网络来路由数据，直到到达适当的目的网络。为了在网络上适当转发信息，路由器维护“路由表”，其给出了关于给定一条信息应在哪个链路上转发的路由器指导。实际上，路由器和非路由器网络元件(主机)都维护路由表，但是按这样的情况将路由器与其他网络元件区分开，即路由器被编程为转发数据，而通常主机被编程为丢弃任何没有寻址到该主机的数据。
典型地，定义网络元件之间通信的规则的联网协议设计为在层中工作，其中每个层在数据传输时执行略微不同的角色。TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)是形成互联网和许多其他网络的基础的协议集合(称为协议族)。典型地，TCP/IP用于以相对较小的块(可选地称为分组或数据报)的形式跨广域网发送数据。TCP/IP通常被认为遵循4层协议模型。TCP/IP协议族的最底层称为“链路层”，其代表支持到物理网络介质(电缆或无线链路)的连接的物理接口。在4层模型的次最高层的网络层处理围绕网络的数据分组的移动。在网络层之上的是传输层，其控制在发送和接收主机计算机自身处组织和使用网络分组的方式。典型TCP/IP协议栈的顶层是应用层，其代表用于支持特定网络应用(例如电子邮件(经由简单邮件传输协议或“SMTP”)或万维网接入(经由超文本传输协议或“HTTP”))的功能。
互联网协议(IP)是TCP/IP协议族的主要网络层协议。存在两个当前使用的主要IP版本，在RFC 791中定义的版本4(IPv4)以及在RFC 1883中定义的版本6(IPv6)。IP允许将数据分组从网络中的数值源地址发送至分组标头中指定的数值目的地址。典型地，将这些分组“封装”在任何链路层协议涉及的分组中。这意味着，将IP分组作为数据承载在由链路层协议(例如以太网)生成的分组中。
因此，在TCP/IP协议族中的这些数值地址通常称为“IP地址”，尽管一般的、非IP特定的术语是“网络地址”。网络地址与硬件地址不同，因为网络地址用于在整个WAN(例如互联网)上标识网络元件，而不是在同一LAN上的NA之间标识NA。因此，给定网络元件将具有与其NA对应的硬件地址以及在WAN上标识该网络元件的一个或多个网络地址。IPv4支持32位IP地址，而IPv6支持128位IP地址，以适应互联网连接的主机的爆炸性增长。
其他网络层协议(例如互联网控制消息协议版本4(ICMPv4)(RFC792)和互联网组管理协议(IGMP)(RFC 1112))分别用于发送控制和错误消息，以及用于IP地址的分组，以将各个分组多播至组中的多个目的地。由于ICMPv4被设计为与IPv4结合使用，所以需要结合IPv6使用新版本的协议ICMPv6(RFC 1885)。
由ICMP执行的典型任务之一称为“路径MTU发现”。术语“MTU”代表“最大传输单元”，并且其指的是在IP网络中的两个节点之间的最大允许分组大小。当在IP网络中的任意两个链接的节点之间发送分组时，存在与该链路关联的MTU。在典型的IP分组到达其目的主机的路途上，将通过多个路由器(因此多个链路)路由该分组。每个链路都具有与之关联的MTU值，其典型地是用于在该链路上进行传输的链路层协议的函数(从而可将每个IP分组封装到单个链路层分组中，最大链路层分组大小将典型地确定用于该链路的MTU)。因为每个链路具有与之关联的MTU，所以如果分组要到达其预定目的地，则对于沿着从源主机到目的主机的路径的任意链路来说，分组不能超过MTU。因此，给定路径中的所有链路上的最小MTU称为该路径的“路径MTU”。对用于到达目的主机的路径来说，发送主机必须生成不大于路径MTU的IP分组。
RFC 1191中描述了用于路径MTU发现的标准方法。由于发送主机通常不知道分组到达目的主机所采用的实际路径，所以要发现的实际上是与每个目的主机关联的“路径MTU”。初始地使用可表征为使用ICMP的反复试验过程来发现给定路径的路径MTU。如果路由器接收到大于路径中下一链路的MTU的分组，则路由器丢弃该分组并向发送主机返回含有ICMP消息“数据报太大”的数据报，其也包含用于路径中下一链路的MTU值。发送主机调整其分组大小(即，其对于特定目的主机的“路径MTU”的估计)，以适应所返回的MTU值并再次尝试。最后，发送主机得到可用于将分组发送到目的主机的路径MTU值，并且发送主机缓存该路径MTU以供以后使用，从而不必重复反复试验过程(只要路径MTU继续驻留在高速缓存中)。
在此路径MTU发现机制下，大型的频繁使用的主机(例如，万维网搜索引擎)或者必须缓存大量的路径MTU值，或者在其必须为重新出现的目的主机重复计算路径MTU值时，所述主机将经历显著的性能降低。在任一情形下都需要大量的计算资源(假如它们是网络带宽、计算时间或存储成本)。
因此，需要一种更加有效的方式，为频繁使用的网络主机跟踪正确的路径MTU，以用于特定目的主机。本发明解决了这个和/或其他问题，并提供优于先前方案的优点。
发明内容
相应地，本发明提供了一种方法、计算机程序产品、和数据处理系统，用于有效地发现路径MTU信息并将其存储在发送主机中。在优选实施例中，维护两个路径MTU表。一个路径MTU表包含对应于与发送主机关联的第一跳路由器的MTU值。另一路径MTU表包含对应于各个目的主机(其路径MTU低于用于到达该目的主机的第一跳路由器的MTU)的MTU值。当发送主机需要向目的地发送信息时，其首先查询与各个目的主机关联的MTU表。如果在表中找到该目的主机的表项，则发送主机使用该MTU值。如果未找到，则发送主机查询在到目的主机的路径上的第一跳路由器的MTU表，并使用该MTU值。如果该MTU值太大而使得分组不能到达预定目的地，则在主机特定的MTU表中为目的主机建立新的表项。
附图说明
现在参照附图仅通过实例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是可实现本发明优选实施例的网络的一部分的示图；
图2是根据本发明优选实施例的两个MTU表的示图；
图3是根据本发明优选实施例的MTU信息发现和存储的过程的流程图；以及
图4是可实现本发明优选实施例的数据处理系统的框图。
具体实施方式
图1是可实现本发明优选实施例的网络的一部分100的示图。从发送(源)主机102的角度观察网络部分100，其可通过互连的路由器104、106、108、110、112和114向多个目的主机116、118和120中的任一主机发送数据。然而，本领域技术人员可以认识到，术语“发送主机”和“目的主机”可相对于由一个数据传输中的两个联网计算机所扮演的角色来理解。在网络中向另一联网的计算机发送数据的任意计算机是用于数据传输的发送主机；相反，在网络中从另一联网的计算机接收数据的任意计算机是用于数据传输的目的主机。
如图1所示，网络部分100中的两个节点之间的每个连接具有关联的MTU值。例如，主机102和路由器104之间的链路的MTU是1500。对于发送和目的主机的每个组合，存在“路径MTU”，其代表从发送主机到目的主机所采用的网络路径上允许的最大分组大小。“路径MTU”是从发送主机到目的主机的网络路径上的所有连接的最小MTU。例如，发送主机102和目的主机116之间的路径MTU是1500，而发送主机102和目的主机118之间的路径MTU是1200(因为从发送主机102到目的主机118的路径上的最小MTU是为1200的MTU，其出现在路由器108和路由器112之间)。
从图1将显而易见的是，在任何情况下，从发送主机到目的主机的路径MTU都不大于在发送主机与到达目的主机的路径上的“第一跳路由器”之间的连接上的MTU。“第一跳路由器”是在发送主机和目的主机之间的路径上遇到的第一个路由器。对于任意给定发送主机，存在有限数目的第一跳路由器(因为从给定发送主机可仅存在有限数目的物理连接)。例如，在图1中，发送主机102具有两个第一跳路由器，即路由器104和路由器106。第一跳路由器104是在到目的主机116和118的路径上的第一跳路由器，而第一跳路由器106是在到目的主机120的路径上的第一跳路由器。本发明的优选实施例通过利用到给定第一跳路由器的MUT是路径MTU的上限这样的事实，减少了在发送主机中存储路径MTU信息所需的存储量。
图2是根据本发明优选实施例的两个MTU表的示图。在此优选实施例中，发送主机维护两个路径MTU表(路径MTU表200和202)。路径MTU表200包含对应于与发送主机关联的第一跳路由器的MTU值。路径MTU表202包含对应于各个目的主机(其路径MTU小于用于到达该目的主机的第一跳路由器的MTU)的MTU值。当发送主机需要向目的地发送信息时，其首先查询MTU表202。如果在MTU表202中找到该目的主机的表项，则发送主机使用该MTU值。如果未找到，则发送主机查询MTU表200以查找与到目的主机的路径上的第一跳路由器关联的MTU值并使用该MTU值。如果第一跳路由器的MTU值太大而使得分组不能到达预定目的地，则使用目的主机的实际路径MTU值在表202中生成用于目的主机的新的表项。
例如，如果表202中不存在用于图1中的目的主机120的表项，则发送主机102将首先尝试使用第一跳路由器106的(发送主机102从表200检索的)为1200的MTU向目的主机120发送分组。由于在路由器106和路由器114之间的链路的MTU是800，所以对于向目的主机120发送分组来说，为1200的第一跳路由器MTU太大，并且路由器106将向发送主机102返回ICMP消息，以通知发送主机102其必须发送不超过路由器106和路由器114之间的为800的MTU的分组。在此情况下，发送主机102将在表202中为目的主机120生成新表项，其含有为800的调整后的MTU。此技术通过尽可能使用第一跳路由器的MUT，确保了仅在绝对必要时才存储主机特定的MTU信息。
图3是根据本发明优选实施例的通过MTU信息发现和存储来发送单个分组的过程的流程图。当发送主机具有要发送至目的主机的数据时(框300)，首先确定目的主机在主机特定的MTU表(例如图2中的表202)中是否具有表项(框302)。如果对于目的主机不存在主机特定的表项(框302：否)，则确定到目的主机的路径上的第一跳路由器(框304)。然后，尝试使用与此第一跳路由器(例如从图2的表200确定的)关联的MTU设置的分组大小来发送数据分组(框306)。如果发现此第一跳路由器MTU大于到目的主机的实际路径MTU(例如由于接收到“超过分组大小”的ICMP消息)(框308：是)，则为目的主机生成(例如在图2的表202中)存储调整后的主机特定的MTU的表项(框310)。如果没有接收到此类“超过分组大小”消息(即，发送的分组没有太大)(框308：否)，则发送单个分组的过程完成：在必要时，为发送后续分组重复该过程。
如果在主机MTU表中存在主机特定的MTU值，或者因为推理而确定存在(框302：是)或者因为刚生成(框310)，则使用由此主机特定的MTU值确定的分组大小发送分组(框312)。如果此分组(具有主机特定大小)太大而不能到达目的地(框314：是)，则(例如根据所接收的“超过分组大小”的ICMP消息)调整在主机MTU表中存储的主机特定的值，以便克服故障(框316)，并尝试发送此新的、更小大小的分组(框312)。此过程一直重复，直到发送了适当大小的分组并且没有发生更多的与分组大小相关的故障(框314：否)。
本领域技术人员可以认识到，单独的框312、314和316等同于互联网标准文档RFC-1191(其内容通过引用合并于此)中描述的MTU发现机制。因此，实现本发明的一个方式是借助由框300-310提供的功能增强/插装现有MTU发现代码(作为“黑盒子”实现框312、314和316)。
图4示出了作为能够执行根据本发明优选实施例所述的计算操作的计算机系统/数据处理系统的简化实例的信息处理系统401。计算机系统401包括处理器400，其耦合至主机总线402。二级(L2)高速缓冲存储器404也耦合至主机总线402。主机-PCI桥406耦合至主存储器408(包括高速缓冲存储器和主存储器控制功能)，并提供在PCI总线410、处理器400、L2高速缓存404、主存储器408、和主机总线402之间处理传输的总线控制。主存储器408耦合至主机-PCI桥406以及主机总线402。由主机处理器(多个)400单独使用的设备(例如LAN卡430)耦合至PCI总线410。服务处理器接口和ISA接入通路412提供PCI总线410和PCI总线414之间的接口。这样，PCI总线414与PCI总线410隔离。例如闪存418的设备耦合至PCI总线414。在一个方案中，闪存418包括BIOS代码，其结合了用于各种低级系统功能和系统引导功能的必要处理器可执行代码。
PCI总线414提供由主机处理器(多个)400和服务处理器416共享的各种设备(包括例如闪存418)的接口。PCI-ISA桥435提供在PCI总线414和IS总线440之间处理传输的总线控制、通用串行总线(USB)功能445、功率管理功能455，并且可包括没有示出的其他功能元素，例如实时时钟(RTC)、DMA控制、中断支持、和系统管理总线支持。非易失性RAM 420连接至ISA总线440。服务处理器416包括在初始化步骤期间与处理器(多个)400通信的JTAG和12C总线422。JTAG/12C总线422还耦合至L2高速缓存404、主机-PCI桥406，和主存储器408，以提供处理器、服务处理器、L2高速缓存、主机-PCI桥、和主存储器之间的通信路径。服务处理器416还可访问系统电源资源，以用于使信息处理设备401断电。
外围设备和输入/输出(I/O)设备可连接至各个接口(例如与ISA总线440耦合的并行接口462、串行接口464、键盘接口468、以及鼠标接口470)。备选地，可通过与ISA总线440耦合的超级I/O控制器(未示出)来适应许多I/O设备。
为了将计算机系统401与另一计算机系统连接以在网络上复制文件，LAN卡430耦合至PCI总线410。类似地，为了将计算机系统401连接至ISP以使用电话线路连接的方式连接至互联网，调制解调器475连接至串行端口464和PCI-ISA桥435。
尽管图4所示的计算机系统能够执行这里所述的过程，但是此计算机系统仅是计算机系统的一个实例。本领域技术人员可以理解，许多其他计算机系统设计能够执行这里所述的过程。
本发明的一个优选方案是客户端应用，即例如可驻留在计算机的随机存取存储器中的代码模块中的一组指令(程序代码)或其他功能性描述材料。在计算机需要之前，这组指令可存储在另一计算机存储器(例如硬盘驱动器)中，或可移动存储器(例如光盘(以便最终在CD ROM中使用)或软盘(以便最终在软盘驱动器中使用))中，或经由互联网或其他计算机网络下载。因此，本发明可作为在计算机中使用的计算机程序产品来实现。此外，尽管方便地在通过软件可选地激活或重新配置的通用计算机中实现所述的各个方法，但是本领域技术人员还可以认识到，此类方法可以在被构建为执行所需方法步骤的硬件、固件、或更专用的装置中执行。功能性描述材料是向机器中提供功能的信息。功能性描述材料包括但不限于，计算机程序、指令、规则、事实、可计算机功能的定义、对象、和数据结构。
尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是基于这里的教导，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明及其更广泛含义的情况下可以做出修改和改变。因此，所附权利要求在它们的范围内旨在包含在本发明真实精神和范围内的所有这些修改和改变。此外，可以理解，本发明仅通过所附权利要求来限定。本领域技术人员可以理解，如果指定所引入的权利要求元素的特定数目，则此意图显式地在权利要求中有所指示，如果没有这样的指示，则不存在此类限定。对于非限制性实例，为了有助于理解，以下所附权利要求包含“至少一个”和“一个或多个”的介绍性短语的使用，以引入要求保护的元素。然而，这种短语的使用不应理解为，即使在同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词(例如“一”或“一个”)时，通过不定冠词“一”或“一个”引入的要求保护的元素将含有此类引入的要求保护的元素的任意特定权利要求限制为仅含有一个此类元素的发明，对于在权利要求中使用定冠词的情况也是如此。在权利要求中使用词语“或”时，其用于排他性含义(即“A和/或B”，与“A或B”相对)。

Claims (9)

1.一种方法，包括：
存储与一个或多个第一跳路由器关联的一组最大传输单元(MTU)值；
在到目的主机的网络路径上标识第一跳路由器；
确定与所标识的第一跳路由器对应的第一跳路由器最大传输单元值；以及
尝试通过所述网络路径向所述目的主机发送数据分组，其中通过所述第一跳路由器最大传输单元值来限定所述数据分组的大小。
2.一种方法，包括：
存储与一个或多个第一跳路由器关联的第一组最大传输单元(MTU)值；
存储与一个或多个主机关联的第二组最大传输单元(MTU)值；
确定特定目的主机是否为所述一个或多个主机中的一个；响应于确定所述特定目的主机是所述一个或多个主机中的一个，从所述第二组检索值以用作路径最大传输单元值；
响应于确定所述特定目的主机不是所述一个或多个主机中的一个，从所述第一组检索值以用作路径最大传输单元值；以及
发送数据分组，该数据分组具有由所述路径最大传输单元值确定的大小。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：
确定所述网络路径的实际所需的路径最大传输单元值是否小于所确定的最大传输单元值；
响应于确定所述网络路径的实际所需的路径最大传输单元值小于所确定的最大传输单元值，将所述实际所需的路径最大传输单元值存储为与所述目的主机关联。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：
确定所述实际所需的路径最大传输单元值是否被存储为与所述目的主机关联；以及
响应于确定所述实际所需的路径最大传输单元值被存储为与所述目的主机关联，向所述目的主机发送第二数据分组，其中通过所存储的实际所需的路径最大传输单元值来限定所述数据分组的大小。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
响应于确定所述实际所需的路径最大传输单元值未被存储为与所述目的主机关联，向所述目的主机发送第二数据分组，其中通过所述第一跳路由器最大传输单元值来限定所述数据分组的大小。
6.如权利要求2或3所述的方法，还包括：
检测由于过大的分组大小使得数据分组不能到达所述目的主机的故障；
响应于检测到由于过大的分组大小使得数据分组不能到达所述目的主机，调整所述数据分组的大小以克服所述故障；以及
尝试向所述目的主机重发调整后的数据分组。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
根据调整后的数据分组的大小确定所述网络路径的实际所需的路径最大传输单元值。
8.一种计算机程序产品，包括在由计算机执行时使得计算机执行任一先前权利要求的操作的功能性描述材料。
9.一种数据处理系统，包括：
至少一个处理器；
数据存储器，其可由所述至少一个处理器访问；以及
在所述数据存储器中的指令集，其中所述至少一个处理器可操作以执行所述指令集，从而执行权利要求1至7中的任一权利要求的操作。
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