APNIC文摘—OMNI:網際網路需要的調適層

本APNIC文摘原標題為OMNI: An adaptation layer for the Internet,由Fred Templin撰文。

國際標準組織(International Standardization Organization,ISO)於1978年訂定的開放系統互連模型(Open System Interconnection Model,OSI Model)中,將網際網路分成七個層級。近年來,這個模型更常被視為「沙漏」,上層和下層的多數功能,都由網際網路協定(Internet Protocol,IP)層擔任唯一疏通協調的瓶頸。

傳輸控制協定(Transmission Control Protocol,TCP)和用戶資料報協定(User Datagram Protocol,UDP)等上層協定,利用IP層的封包服務,透過包含乙太網路、無線網路和4G/5G行動網路等多種技術的資料鏈結層傳送封包。依OSI的定義而言,IP層級屬於第三層(L3),乙太網路等資料鏈結層則屬於第二層(L2)。

當代網際網路架構中,一般會希望使用者盡量限制封包大小,最好不要超過從來源到目的地路徑的最小鏈結。這就是所謂的路徑最大傳輸單位(Path Maximum Transmission Unit,Path MTU)。但這樣的限制並不利於網路架構成長。

為了符合路徑MTU,常見的做法是拆分IP(IP fragmentation):把封包拆解成符合MTU的大小依序傳輸後,到目的地再重組成原本的封包。雖然這種方式不被鼓勵,很多人甚至視其「有害」,但對有些人來說這做法最直接有效。也有研究指出,刻意使用IP拆分傳送對路徑MTU而言過大的封包,能有效提升應用程式的效能。

對某些網路營運者而言,這則代表原本的7層網際網路架構中,需要新增一層「調適層」(adaptation layer)。

調適層位於IP層(L3)和資料鏈結層(L2)之間。這層沒有標號,因為網際網路架構的演進早已超越近50年前的OSI模型。我們只需要知道調適層位於L3和L2中間,主要提供「覆蓋多鏈路網路介面」(Overlay Multilink Network Interface,OMNI)服務。

OMNI包含基於IPv6封裝、拆分和重組的OMNI調適層(OMNI Adaptation Layer,OAL)。有了OAL,IP層能夠傳送大小超過路徑MTU的封包,但又無需經手封包拆分重組,因為這些都會在下面的調適層完成。

OAL的概念並不新穎。事實上,OAL在九零年代則是業界非同步傳送模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)大規模實驗的一部分。ATM試圖在IP層和資料鏈路層中,夾入一層ATM第五調適層(ATM Adaptation Layer 5,AAL5)。雖然後來發現AAL5仍不及直接於IP層傳輸有效,但作者強調,OAL和AAL5有兩點截然不同:

  1. OAL刻意設計成能適應多類型、MTU大小各自不同的資料鏈接方式,不同於過去AAL5僅能傳送極小單元。
  2. 不同於在L2上運作的ATM,OAL的多類型資料鏈結只是「盡其所能」,丟失封包碎片的情形仍可能發生。

OAL依路徑MTU拆分IPv6封包,並將拆解後的封包碎片從下方資料鏈接介面傳送。依進入資料鏈接層的狀況不同,封包碎片可能會透過一或多種網路傳送。如上所述,此適應多類型網路鏈接的模型只是「盡其所能」。也因此,仍有單一封包碎片丟失的風險。碎片丟失了就無法重組封包,資料來源因此會需要重新傳送整個封包,這是亟須避免的失敗。OAL為此情形提出兩種解方:

首先,OAL視調適層來源和目的地為虛擬鏈接的兩個端點,這兩點通常位於網路路徑中某處。也就是說,雖然這兩點是OAL虛擬鏈接的終端,但在網路路徑上僅是中繼點。這兩點可以在虛擬鏈接上執行自動重傳請求(Automatic Repeat Request,ARQ),在應用程式終端重傳整個封包前,快速找回丟失的封包碎片。

上述的碎片重新傳輸也是「盡其所能」,而且有效時限很短。OAL因此提供另一個追加步驟,因應多個碎片丟失的情況。舉例而言,要是OAL目的端發現某些碎片丟失,它可以透過某些管道告知封包的原始來源,要求對方縮小封包尺寸。

「封包太大」(Packet Too Big,PTB)網際網路控制訊息協定(Internet Control Message Protocol,ICMP)訊息即為此目的而生,也就是所謂的「PTB軟錯誤」。OAL目的端可以像封包源頭傳送PTB軟錯誤訊息,要求對方重新傳送小一點、不需分拆太多片的封包,避免封包碎片再次丟失。

PTB軟錯誤和碎片通報(Fragmentation Report)的結合可以提供最大化通量、最小化丟失,因此盡可能值得信任的服務。原始封包來源因此能依當下網路狀況調整封包大小,在碎片丟失和重傳約束的限制下,傳送盡可能大尺寸的封包。

 

*台灣網路資訊中心(TWNIC)與亞太網路資訊中心(APNIC)合作,定期精選APNIC Blog文章翻譯摘要,提供中心部落格讀者了解目前亞太地區網路發展之最新趨勢。原文標題為OMNI: An adaptation layer for the Internet

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