Анализ изменения скорости обработки трафика на маршрутизаторах при переходе с IPV4 на IPV6 протокол

На сегодняшний день существуют два основных поколения протокола транспортного протокола. Первый протокол, имеющий наименование “IPv4”, был описан еще в 1981 году [1]. Но его основной недостаток состоял в ограничении адресного пространства в 4,3 млрд адресов. Что приводит к перегрузкам в маршрутизации, сложностям массовых изменениях IP-адресов, прикрепления на один и тот же адрес сразу нескольких адресатов и множество других проблем [2].

IPv6 протокол должен со временем заменить IPv4. У него есть несколько преимуществ [3]. Это не только решение проблемы дефицита IPv4-адресов, но и позво- лит ускорить доставку сообщений. Благодаря этому протоколу была сокращена потребность в изменении сетевых адресов – NAT, которая ранее решала проблему недостатков IPv4-адресов. Также IPv6 использует многоадресную маршрутизацию и упрощённые заголовки, что значительно увеличивает эффективность маршрутизации. В нем применяется встроенная аутентификация, защита конфиденциальности, а также гибкие опции с поддержкой расширений.

Недавно Китай начал массово переходить на новый протокол IPv6 [4]. И пример изменения емкости протоколов сети Шанхая продемонстрирован на рисунке 1.

Рис. 1. Процент емкости работы коммутаторов на IPv6 в Шанхае

Так как коммутаторы массового применения в основном производятся именно в этой стране, то железо, работающее с этим протоколом, будет в скором времени им портироваться в Россию. Этот факт приво дит к разумным требованиям узнать, на сколько новый протокол изменит загруженность и скорость работы сети.

Под загруженностью сети подразумеваются несколько значений. В их числе увеличение скорости передачи сообщений, максимальное количество сообщений, обрабатываемое коммутаторами, а также уменьшение времени передачи сообщений из одной точки в другую.

Сам стандарт IEEE 802.3 накладывает следующие ограничения на размер передаваемых по сети кадров: минимальный размер кадра – 64 байта. Максимальный размер пакета – 1500 байт. Кроме того, каждый пакет содержит по крайней мере стандартный заголовок Ethernet длиной 22 байта, в котором содержится преамбула (последовательность длиной 7 байт). Каждый пакет завершается контрольной суммой (4 байта). Итого S _o = 90 байт

Первым рассматриваемым изменением является сами заголовки пакетов. В IPv4 размер только заголовка S = 20 байтам, а у IPv6 размер заголовка S = 40 байтам. Для перевода размера заголовка во время обработки необходимо взять для примера расчета устройство модема 14400 со скоростью V = 1,8 Кбайт/с. В итоге скорость обработки только заголовка устаревшего протокола равна приблизительно по формуле 1 равна 60 мс, следовательно, у IPv6 скорость обработки заголовка равна 70 мс по схожей формуле 2.

T4_Х = ( S о + S 1 )/ V (1)

T 6 1 = ( S о + S ₂ )/ V (2)

Для больших пакетов, возможна фрагментация. Так для протокола IPv4 максимальный размер пакета без фрагментации является 576 байт, а для IPv6 1280 байт. Однако для IPv6 фрагментация возможна только со стороны хостов, тогда как в IPv4 фрагментация есть и на маршрутизаторах, которые являются промежуточными узлами связи, что замедляет передачу пакетов в них до полной сборки самого пакета в каждом промежуточном узле связи. С такими задержками передача самого пакета размером с S =1500 байт через x мар- шрутизаторов по IPv4 будет равняться (993+ То6 *2 )* x мс

Т 42 = ( S₆ „ + ( S о + S J* ( div ( S₆ n /556) +1) + Т об *2)* x / V ⁽³⁾

Где div это деление нацело, T является временем обработки маршрутизатором. Для IPv6 по формуле 4 задержка составляет 955* x + Т_об *2 мс.

т 6 2 = (( S₆ „ + ( S 0 + S 1 )*( div ( S₆ „ /1240) + 1))* x + Т о, )/ V ⁽⁴⁾

Данное время указано с учетом времени на обработку пакетов (фрагментацию и дефрагментацию). Сама сборка пакета в конечном или промежуточном узле под собой предполагает выделение некого буфера, в который будут складываться фрагменты IP пакета для каждого маршрутизатора, действующего по протоколу IPv4. Это приводит к следующему недостатку. Потеря случайного фрагмента приводит к повторной отправке всего пакета, существенное влияние может оказать передача других пакетов в канале. В протоколе IPv6 сборка пакетов осуществляется непосредственно на хосте, следовательно, неожиданные задержки, вызванные сборкой внутри промежуточных маршрутизаторов, исчезают.

Еще одним преимуществом нового протокола является отсутствие NAT в связи с его невостребованностью. Эта технология позволяет за одним публичным адресом скрывать множество других устройств [5]. Однако она также требует дополнительной обработки T со стороны промежуточного маршрутизатора за котором и скрывается внутренняя сеть. Скорость обработки пакетов прямо зависит от частоты F работы самих промежуточных устройств и вычисляется по формуле 5.

Т об 2 = S /( N * F )          (5)

Где S размер пакета (бит), N разрядность устройства(бит)

Примера схемы работы NAT представлена на рисунке 2.

Внутренняя сеть                       |                    Внешняя сеть

Локальные адреса                    ।                Глобальные адреса

Source Address Inside Local 192.168.1.5

Destination Address Outside Local 208.141.17.4

Source Address Inside Global 208.141.16.5

Destination Address Outside Global 208.141.17.4

Destination Address Inside Local 192.168.1.5

Source Address Outside Local 208.141.17.4

Destination Address Inside Global 208.141.16.5

Source Address Outside Global 208.141.17.4

NAT таблица маршрутизатора
ПК		Веб-сервер
Inside Global	Inside Local	Outside Local	Outside Global
208.141.17.4	192.168.1.5	208.141.16.5	208.141.16.5

Рис. 2. Пример работы NAT

Так же при большом количестве запросов механизм NAT перестает пропускать пакеты или даже может посчитать эти запросы в качестве Dos-атаки [6].

Заключение. В качестве заключения можно утверждать по математическим выкладкам, что переход позволит незначительно сократить время передачи на ко- промежуточных узлах связи. На дальних расстояниях передачи трафика время за- держки может существенно сократиться, что будет заметно для пакетов, имеющих огромное размеры как видео или большие данные. Однако переход должен состояться массовый, иначе значительных преимуществ невозможно будет добиться.

ротких расстояниях и малом количестве