5.5.6. Поддержка различных размеров пакета: фрагментация пакета

Все сети и каналы накладывают на размер своих пакетов ограничения, обусловленные разными факторами:

1. Аппаратное обеспечение (например, размер фрейма Ethernet).

2. Операционная система (например, все буферы имеют размер 512 байт).

3. Протоколы (например, количество битов в поле длины пакета).

4. Соответствие какому-либо международному или национальному стандарту.

5. Желание снизить количество пакетов, отправляемых повторно из-за ошибок передачи.

6. Желание предотвратить ситуацию, когда один пакет слишком долгое время занимает канал.

С учетом всех этих факторов разработчики не могут выбирать максимальный размер пакета по своему усмотрению. Максимальный размер поля полезной нагрузки составляет 1500 байт для сети Ethernet и 2272 байта для 802.11. Протокол IP более щедр: размер пакета может достигать 65 515 байт.

Обычно хосты стараются отправлять крупные пакеты, так как это уменьшает издержки — например, позволяет сэкономить на заголовках. Очевидно, возникает проблема, когда большой пакет должен пройти по сети с недостаточным максимальным размером пакетов. Эта проблема была актуальна долгое время, а ее решения разрабатывались во многом на основании опыта использования интернета.

Одно из решений проблемы состоит в ее предотвращении. Но сделать это непросто. Обычно отправитель не знает, по какому пути будут передаваться данные, а значит, ему неизвестно, какого размера должен быть пакет, чтобы добраться до места назначения. Такой размер пакета называется путевым значением MTU (Path Maximum Transmission Unit — максимальный размер пакета для выбранного пути). Неважно, знает ли отправитель путевое значение MTU. В сети, не требующей соединения (например, в интернете), маршруты в любом случае выбираются независимо. Это означает, что путь может неожиданно измениться, а тогда изменится и путевое значение MTU.

Альтернативное решение — позволить шлюзам разбивать пакеты на фрагменты (fragments) и отправлять каждый из них в виде отдельного пакета сетевого уровня. Однако, как известно любому родителю маленького ребенка, разобрать большой объект на мелкие части существенно проще, чем соединить их обратно. (Физики даже дали этому эффекту специальное название: второй закон термодинамики.) В сетях с коммутацией пакетов также существует проблема объединения фрагментов.

Для восстановления исходных пакетов применяются две противоположные стратегии. Согласно первой, порожденная сетью с малым размером пакетов фрагментация должна быть прозрачной для всех сетей, через которые пакет проходит на пути к адресату. Этот вариант показан на илл. 5.40 (а). Когда на G1 приходит слишком большой пакет, он разбивается на фрагменты. Все они адресуются одному и тому же выходному маршрутизатору G2, который восстанавливает из них исходный пакет. Таким образом, прохождение данных через сеть с небольшим размером пакетов оказывается прозрачным. Соседние сети даже не знают, что произошла фрагментация.

Прозрачная фрагментация проста, но тем не менее, создает некоторые проблемы. Во-первых, выходной маршрутизатор должен узнать, что он получил пакет полностью, поэтому фрагменты должны содержать либо поле счетчика, либо бит, обозначающий конец пакета. Кроме того, тот факт, что для последующего восстановления пакета все фрагменты должны выходить через один и тот же маршрутизатор, ограничивает возможности маршрутизации. Фрагменты не могут идти к конечному получателю по разным маршрутам, и в результате может потеряться часть производительности. Еще более важный вопрос касается действий маршрутизатора. Возможно, ему потребуется поместить в буфер все полученные данные и определить, в какой момент их можно удалить, если пришли не все фрагменты. Наконец, фрагментация и последующая сборка пакетов при прохождении каждой сети с малым размером пакетов приводят к дополнительным накладным расходам.

Другая стратегия фрагментации заключается в отказе от восстановления пакета на промежуточных маршрутизаторах. С каждым фрагментом обращаются как с отдельным пакетом. Все фрагменты проходят через маршрутизаторы, как показано на илл. 5.40 (б). Задача восстановления оригинального пакета возложена на получающий хост.

Илл. 5.40. Фрагментация. (а) Прозрачная. (б) Непрозрачная

Основное преимущество непрозрачной фрагментации состоит в том, что маршрутизаторы выполняют меньше работы. Так работает IP. При этом фрагменты пакета должны нумероваться таким образом, чтобы можно было восстановить исходный поток данных. В случае IP каждому фрагменту сообщается номер, который есть у каждого пакета, абсолютное байтовое смещение внутри пакета и метка, показывающая, является ли этот фрагмент последним в пакете. Пример такой фрагментации представлен на илл. 5.41. Схема очень проста, но обладает рядом важных преимуществ. По прибытии в место назначения фрагменты можно помещать в буфер в любом порядке. Кроме того, при пересечении сети с меньшим значением MTU фрагменты могут быть разбиты на более мелкие части (см. илл. 5.41 (в)). При повторной передаче (если не все фрагменты дошли до адресата) пакет может быть разделен по-другому. И наконец, размер фрагментов может быть произвольным, вплоть до одного байта (плюс заголовок). В любом случае пакет будет восстановлен: номер пакета и смещение помогут расположить данные в правильном прядке, а метка укажет на конец пакета.

К сожалению, у этой схемы есть недостатки. Во-первых, она может быть более затратной, чем прозрачная фрагментация, так как заголовки фрагментов иногда передаются по каналам, где без них можно обойтись. Но настоящая проблема заключается в самом существовании фрагментов. Кент и Могул (Kent and Mogul, 1987) считают, что фрагментация работает в ущерб производительности, так как при утере одного фрагмента теряется весь пакет (не говоря уже о затратах на заголовки). Для хостов фрагментация представляет большую нагрузку, чем предполагалось вначале.

Это возвращает нас к первоначальной идее полного избавления от фрагментации в сети. Стратегия, использующаяся в современном интернете, называется поиском путевого значения MTU (Path MTU discovery) (Могул и Диринг; Mogul and Deering, 1990). При отправке IP-пакета в его заголовке указывается, что фрагментация запрещена. Если маршрутизатор получает слишком большой пакет, он удаляет его и отправляет источнику сообщение об ошибке (илл. 5.42). Используя эту информацию, отправитель перераспределяет данные так, чтобы пакеты смогли пройти через маршрутизатор. Если такая проблема возникнет на одном из следующих маршрутизаторов, процесс повторится.