基于OPNET下MTU最优值仿真

李晋超

(山西机电职业技术学院 信息与管理工程系，山西 长治 046011)



基于OPNET下MTU最优值仿真

李晋超

(山西机电职业技术学院 信息与管理工程系，山西 长治 046011)

文章基于OPNET仿真平台对MTU最优值设置进行了探讨，通过OPNET仿真软件建立文件传输协议FTP网络服务模型，得出对MTU最优值求解公式，并修改相关参数得到了仿真结果来验证MTU最优值求解公式的准确度，也对数据在多个路由器传输过程中的时间进行了初步的分析，为以后的研究提供了依据。

OPNET; MTU; FTP; 最优值

0 引言

在工作和生活中人们使用网络的过程中经常会碰到数据传输速度缓慢、观看网络视频不够流畅、网页加载响应时间长等情况，有时无法得到网络服务的现象也时有发生。最大传输单元(Maximum Transmission Unit，MTU)在数据传输中的影响经常容易被忽略，其在数据传输中是一个非常重要的因素，直接影响传输速度、下载响应时间等很多方面。文章利用当前流行的网络仿真工具OPNET，创建文件传输协议 ( File Transfer Protocol，FTP)标准应用模型并进行仿真，对求解MTU最优值进行了初步的探讨分析。

OPNET是网络原理性研究和网络实践两方面完美结合的产物，国际上有大学用来进行网络教学，研究人员用来研究算法，电信运营商用来验证方案。OPNET软件被广泛用于教育以及产业和政府部门，其结果的准确性、丰富的功能以及使用的简单性，特别是军事领域上对防御应用的网络的建模[1]。

OPNET的主要特点：

(1)层次化、模块化的建模机制。(2)提供了C/C++以及400多个核心函数，并且开放源代码。(3)利用综合分析工具做出详细的网络性能分析，其动画动能展示模型的动态过程[2]。

MTU是基于TCP/IP协议下传输数据报的最大值。对于TCP/IP协议，数据链路层承载IP层数据包，数据链路层的 MTU 值即为IP 层最大IP数据包的大小[3]。MTU值如同客车能够容纳最大值的乘客人数，如果超过最大规定人数是不符合法律规定的，是不允许上路运营的，必须小于或等于最大规定人数数量。表1列出了几种常见的MTU值。IP数据报由IP首部、TCP首部、应用数据三部分组成，最大值不超过1500字节，如果超过这个数值的数据报就会在传输过程中被丢弃。

MTU值在一个结构复杂的网络中不一定是个常数，网络中选路路由受到多方面的影响，有可能导致在来回两个方向上数值不一样。在传输过程的路径中最小的MTU被称作路径MTU，它好像就是最窄的通道一样，当网络中的数据包通过该设备时，必须符合该设备的MTU值才可以通过。这样在网络中选择最优MTU值成为一个需要认真考虑的问题，最优MTU值为交互使用提供足够快的响应时间。

通过设置不同MTU值观察其在FTP应用的影响，主要有两个问题。(1)如果数据报分成许多小的分片，那么通过网络的总流量将大于当今数据分成大分片的流量。这样会影响到相同的传输速率下增加了下载时间，也加大了网络负载。(2)当数据报分成大的分片时，整体的时延大于分成小片的整体时延，增加了响应时间。这样看似矛盾的理论需要找出兼顾数据流量和响应时间等方面的最佳MTU设置值，在构建的模拟网络环境进行仿真，尝试分析和找出对当前FTP网络服务模型性能影响最佳的MTU值。

表1 几种常见的MTU

1 Command Mix(Get/Total)参数对建模的影响

1.1 OPNET软件描述定义FTP的三个关键属性

①Command Mix(Get/Total)即命令混合型(获取/总量)②Inter-Request Time(seconds)即请求间隔时间(秒)，指定连续FTP操作之前的时间总量 ③File Size(bytes)即文件尺寸(字节)，以字节为单位指定要传输的文件尺寸。Command Mix(Get/Total)参数反映的是获取所占的比例，比如Get/Total=0.7，那么Put/Total=0.3。考虑在传输过程中响应时间的因素，设置n表示为网段内电脑的台数，r表示传输速率，y表示为响应的数据的大小。

当Get/Total=100%时，计算整体时间如下：①发送的时间为t1=n*512/r ②接收的时间为t2=n*y/r ③总时间为t=t1+t2= n*512/r+ n*y/r=n*(512+y)/r。当Get/Total<100%时, 包含下载和上传两个过程，设Get/Total=p((0≤p<1)),整体时间为：①发送时间为t1= [p*n*512+(1-p)*n*y ]/r ②接收的时间为t2= [p*n*y +(1-p)*n*512]/r ③总时间为t=t1+t2= [p*n*512+(1-p)*n*y + p*n*y+(1-p)*n*512] /r =n*(512+y)/r。

通过计算说明Get/Total<100%与Get/Total=100%时间相同，说明Get/Total的取值对建模没有影响，本实验设置Get/Total值为50%。

1.2 建模仿真

FTP标准应用对FTP服务的基本操作进行了建模，常规的FTP应用有很多条命令组成，但在FTP标准应用中涉及仿真传输的核心的两条操作是put和get。put操作是把文件上传到FTP服务器，get操作是将文件下载到客户端，这两个操作由控制和数据两种消息类型组成。控制消息是对一个文件的请求或对一个文件传输完成的确认，数据消息是在客户端和服务器之间进行传输过程中的文件，控制消息尺寸总是512字节，而数据消息的尺寸是可以配置的。在OPNET软件中FTP应用只能对一次一个文件传输进行建模，运行在TCP基础上，仿真传输过程中为每一个文件传输操作打开一个独立的TCP连接，不同于真实网络中的是，这个FTP模型在同一TCP连接上一个文件传输操作的发送控制和数据消息进行建模。

在OPNET中新建工程project_11,见图1，为网络环境添加的配置分别为应用配置 (Application Config)，业务配置 (Profile Config)。在应用配置中设置FTP标准应用服务，每隔10秒钟传输数据50000字节，下载和上传比例各为50%。客户机和服务器分别使用ppp_wkstn和ppp_server，客户机与路由器、服务器与路由器使用PPP_DS1_int全双工链路连接。(具体设置过程省去)在原来的基础上复制四个场景，依次修改客户机和服务器的MTU值， MTU值依次设置为1000、1500、2000、2500，选择观察FTP上传响应时间选项，运行仿真时间均为500秒。

图1 网络拓扑图Fig.1 network topologymap

图2 上传响应时间对比Fig.2 The compare of upload the response time

2 针对模型MTU最优值的讨论

在当前网络场景下，假设D为需要传输的数据量；MTU为最大传输单元；K是数据链路层和IP首部尺寸之和；R为传输速率；数据通过源节点到达目的远端点的时间为T。在本场景中忽略传播和时延的时间，两端之间传输数据可以用公式(1)表示：T传输时间=([D/MTU]+1)*(K+MTU)/R,因为K值相对于MTU值过小，所以数据传输分块可以表示为D/MTU， D/MTU值在计算过程中取最小整值，剩余的数据需要新的一块，所以总块数为[D/MTU]+1。通过对公式的整理，最优MTU值表示为：MTU2=DK。代入本次实验数据，传输数据D为50000字节，K为40个字节，最终MTU值=1414。

复制场景，修改客户机和服务器的MTU值均为1414并运行仿真，结果与MTU值为1000、1500、2000、2500时上传响应时间作比较， 图2中x轴表示仿真时间，y轴表示数据上传响应时间。比较图2结果可知，当MTU值设置为1414时，数据上传响应时间最短，服务响应及时，传输效果最佳，图中显示结果符合公式推导结果。

复制场景，在参数不变的情况下增加两个路由器，见图3。路由器是存储转发设备，它们通常接收整个输入分组，检验包含IP检验和IP首部，然后进行选择路由，最后开始发送输出分组。假设传输总数据分为N块，数据X为当前最优MTU值，不考虑数据在路由器传输的时间和时延，由图4可知经过三个路由器时，在路由器之间分块传输过程中增加了传输时间，每一跳的时间t=(D/N+40)*8/R,通过路由器传输总时间T=t*(N+1)。如果N值较大，会增加在路由器之间传输的时间；N值过小，则会增加每一跳的时间。很显然公式(1)不符合当前网络对最优MTU值的求解，需要综合考虑新模型各项条件重新推导计算公式。

3 结论

通过对FTP标准应用建模仿真，求出数据在单个路由器上传输时效果最佳的MTU值，在此基础上分析研究数据在多个路由器之间传输的情况，说明在新的网络情况下需要对MTU最优值建立不同的求解方式,今后会在更多的网络上进行深入的研究，例如数据在隧道中、VPN等传输情况。随着各种网络新技术的出现，利用OPNET软件建模仿真对求MTU最优值问题提供了验证方案，对今后的网络优化有着重要的意义，同时也对网络理论教学提供了很好的参考模型。

图3 网络拓扑图Fig.3 network topology map

图4 数据在路由器之间传输Fig.4 Data transfer between routers

[1]Adarshpal S.Sethi.计算机网络仿真OPNET使用指南[M].北京:机械工业出版社,2014.

[2]龙华. OPNET Modeler[M].西安：西安电子科技大学出版社,2006.

[3]杜从涛,刘红云. MTU和MSS问题研究[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

李晋超(1983- )，男,山西机电职业技术学院信息与管理工程系讲师、硕士。主要研究方向：计算机网络。

TP393.01

A

1673-6125(2016)03-0008-03