1  電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)簡介

    電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是以保障電網(wǎng)安全生產(chǎn)為目的，采用路由器、光端機等設(shè)備搭建而成，用于傳輸電網(wǎng)生產(chǎn)控制信號、電網(wǎng)公司辦公內(nèi)網(wǎng)、視頻會議等綜合業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)。

    電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與公司運維范圍內(nèi)變電站的地理位置息息相關(guān)，基本采用三級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，核心層位于公司總部，由多臺高性能路由器組成，匯聚層由距離公司較近的幾個高電壓等級變電站組成，站內(nèi)路由器既擔(dān)當(dāng)匯聚路由器的功能，同時滿足本站內(nèi)的通信業(yè)務(wù)接入。接入層主要由低電壓等級變電站內(nèi)路由器構(gòu)成，由于站內(nèi)路由器僅需要完成業(yè)務(wù)接入功能，所以對路由器性能要求不高。由于各個變電站之間距離較遠，為保證業(yè)務(wù)質(zhì)量，路由器之間的互聯(lián)一般通過光端機承載。如圖1所示。

2  電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)傳遞模型

    根據(jù)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)特性，電網(wǎng)公司多采用BGP MPLS VPN跨域技術(shù)進行業(yè)務(wù)之間的互通，網(wǎng)絡(luò)中公司總部核心層和各個地市公司接入層分別為BGP的不同自治域（AS）。為保證業(yè)務(wù)的安全性以及數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)，全網(wǎng)采用MPLS VPN技術(shù)。

    由于電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)流量一般是總分結(jié)構(gòu)，核心位于公司總部區(qū)域，接入位于各個地市區(qū)域，故業(yè)務(wù)訪問一般會跨越不同的BGP自治域，且業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在傳遞過程中會被各種協(xié)議的報頭進行封裝。

    以電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)調(diào)度提票業(yè)務(wù)為例，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。末端站點提票終端發(fā)送提票請求，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包通過VPN隧道發(fā)送至BGP AS-2內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)路由器上，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)在光端機的承載下，通過BGP自治域邊界ASBR路由器，最終傳輸至BGP核心區(qū)域AS-1的總部路由器上，路由器通過與提票服務(wù)器建立的VPN隧道，將信息傳遞到提票服務(wù)器，完成業(yè)務(wù)的傳遞。

3  數(shù)據(jù)封裝與MTU值

3.1  數(shù)據(jù)封裝過程概述

    根據(jù)TCP/IP四層協(xié)議模型，由下至上分為數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。以提票業(yè)務(wù)為例，由于數(shù)據(jù)是從應(yīng)用程序發(fā)出，應(yīng)用層的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)首先進行TCP封裝，封裝完畢后，變成可在傳輸層傳遞的數(shù)據(jù)段（segment），傳輸層的數(shù)據(jù)段再進行IP封裝，增加IP頭部信息，稱為網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包，最后將數(shù)據(jù)包增加幀頭等信息，變?yōu)榭梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀。當(dāng)信息傳輸?shù)侥康牡貢r，在進行以上封裝的解封裝工作，將應(yīng)用程序信息傳遞至目標(biāo)應(yīng)用程序。

3.2  MTU值簡介

    MTU為最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit）的簡稱，一般是指以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)Data字段最大的長度（單位為byte）。

    以太網(wǎng)幀（Ethernet II）由幀頭、數(shù)據(jù)部分及校驗位構(gòu)成。其中以太網(wǎng)幀的幀頭大小為14 bytes（DMAC目的MAC地址6 bytes，SMAC源MAC地址6 bytes，Type域2 bytes），CRC校驗部分4 bytes，剩下承載上層協(xié)議（IP數(shù)據(jù)包）的字段叫做數(shù)據(jù)載荷，數(shù)據(jù)載荷部分大小為46-1 500 bytes，數(shù)據(jù)載荷的最大長度稱之為MTU，即MTU值最大為1 500 bytes，以太網(wǎng)幀最大為1 518 bytes。^[1]

    MTU值為數(shù)據(jù)鏈路層中對最大數(shù)據(jù)載荷的定義，不考慮幀頭以及校驗位，即為網(wǎng)絡(luò)層中的IP數(shù)據(jù)包長度。如果網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)包長度超過MTU值，就會被分片處理，保證每一片IP包不超過MTU值。但如果業(yè)務(wù)通信是基于TCP連接的，那么一般情況下IP數(shù)據(jù)包不允許分片，如果數(shù)據(jù)包大小超過MTU那么數(shù)據(jù)包將會被丟棄，本文中的提票業(yè)務(wù)就是基于TCP連接的業(yè)務(wù)。

    此外，在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中，為保證業(yè)務(wù)遠距離傳輸?shù)目煽啃?，一般情況下路由器間的遠距離互聯(lián)需要借助光端機，由光端機來承載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)，例如圖1 所示。光端機可以設(shè)置鏈路上允許通過的最大幀長度，從而影響網(wǎng)絡(luò)層MTU值及傳輸層的數(shù)據(jù)分片。

3.3  MSS簡介

    數(shù)據(jù)鏈路層有MTU的概念，傳輸層也有類似MTU的概念，這就是MSS，全稱為Maximum Segment Size，可以直譯為最大分段長度。MSS就是TCP段每次能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)載荷。即TCP數(shù)據(jù)段中除去TCP包頭后的數(shù)據(jù)載荷部分最大長度。在建立TCP連接過程中，首先要協(xié)商雙方的MSS值，這個值TCP協(xié)議在實現(xiàn)的時候往往用MTU值減去IP數(shù)據(jù)包包頭的大?。?0 bytes）和TCP數(shù)據(jù)段的包頭（20 bytes），由于MTU值一般為1 500，所以往往MSS為1 460，默認情況下，二者的長度相差40 bytes。通信雙方會根據(jù)雙方提供的MSS值得最小值確定為這次連接的最大MSS值。如果雙方的MSS值設(shè)定不一致，則協(xié)商結(jié)果以小的為準(zhǔn)。在實際業(yè)務(wù)傳輸過程中，部分型號的路由器可以調(diào)整MSS值，從而影響網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)包大小及數(shù)據(jù)鏈路層MTU。而光端機可以設(shè)置鏈路上允許通過的最大幀長度，從而影響網(wǎng)絡(luò)層MTU值及傳輸層的MSS值。^[2]

4  業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)仿真

    針對電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包大小進行仿真分析，仿真研究業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文在路由器間傳遞過程中的大小，由此得出數(shù)據(jù)在傳遞過程中的封裝過程，了解MTU值對數(shù)據(jù)傳輸大小的限制作用，下一步利用研究結(jié)果解決電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)大包不通的問題。

4.1  ICMP數(shù)據(jù)包仿真研究

    通過eNSP搭建仿真環(huán)境，如圖3所示，PC4和PC5分別模擬為兩個站點的PC客戶端，通過ping命令來研究icmp協(xié)議在數(shù)據(jù)網(wǎng)路由器中的傳遞過程中的數(shù)據(jù)包大小變化。

    第一步，在PC4上運行ping命令，目的地址是PC5的IP地址，其中-l命令是規(guī)定數(shù)據(jù)包大小為1 472 bytes，如圖4所示：

    第二步，使用Wireshark抓包工具，在PC4的Ethernet0/0/1端口進行抓包，得到結(jié)果如圖5所示。

    可以看到，數(shù)據(jù)包原始數(shù)據(jù)大小為1 472 bytes，通過icmp協(xié)議封裝后，數(shù)據(jù)包大小變?yōu)? 480 bytes，通過IP協(xié)議封裝后，數(shù)據(jù)包大小變?yōu)? 500 bytes，通過幀封裝后，數(shù)據(jù)包大小最終變?yōu)? 514 bytes（Wireshark工具不計算幀尾的4 btyes的FCS校驗位，加上幀尾的校驗位，數(shù)據(jù)總長度為1 518）。由此可以得出本案例數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不同協(xié)議或幀封裝所需要增加的報文長度如表1 所示：

    我們知道，在以太網(wǎng)幀最大長度為1 518 bytes，由此可以推斷，當(dāng)我們在PC上可以ping的最大數(shù)據(jù)長度為1 518-18-20-8=1 472 bytes，仿真軟件驗證的結(jié)果如下，與預(yù)先的推斷一致，如圖6所示：

4.2  電力數(shù)據(jù)網(wǎng)中ICMP數(shù)據(jù)包仿真研究

    由于電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，全網(wǎng)采用BGP MPLS VPN技術(shù)進行組網(wǎng)，該組網(wǎng)方式在使用ICMP協(xié)議進行ping測試時，需要考慮在網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層之間再封裝兩層mpls標(biāo)簽（一層為用于查找公網(wǎng)路由的公網(wǎng)標(biāo)簽，一層是用來查找VPN路由的私網(wǎng)標(biāo)簽），每層標(biāo)簽大小為4 bytes。所以仿真結(jié)果如圖7、圖8所示：

    此時，使用Wireshark工具抓到的以太網(wǎng)幀長度為1 472+8+20+4+4+14=1 522，加上校驗位，實際幀長度為1 526 bytes，其中網(wǎng)絡(luò)層封裝后的數(shù)據(jù)包大小為1 472+8+20=1 500 bytes，正好為MTU值，故1 472為ping命令可以攜帶的最大數(shù)據(jù)載荷長度。由此可以得出本案例數(shù)據(jù)包在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實際傳輸過程中不同協(xié)議或幀封裝所需要增加的報文長度表2所示：

    上述仿真結(jié)果表明，當(dāng)業(yè)務(wù)在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)傳輸過程中，數(shù)據(jù)先后會經(jīng)過傳輸層封裝、網(wǎng)絡(luò)層封裝以及數(shù)據(jù)鏈路層封裝，最終通過光端機進行遠距離傳輸。由于本文中的提票業(yè)務(wù)是基于TCP連接的，在網(wǎng)絡(luò)層不允許分片，所以網(wǎng)絡(luò)層封裝后的IP數(shù)據(jù)包長度必須小于等于1500 bytes，才能保證數(shù)據(jù)包的有效傳遞，否則數(shù)據(jù)包將會被丟棄，導(dǎo)致業(yè)務(wù)無法聯(lián)通。

5  利用MTU值解決業(yè)務(wù)大包不通問題

5.1  問題描述

    在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實際運行過程中，在某次大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，出現(xiàn)了提票業(yè)務(wù)不通問題，如圖2所示，末端站點1的工作人員反饋提票客戶端可以ping通總部服務(wù)器，但是客戶端瀏覽器無法打開提票頁面，提票工作無法完成。

5.2  問題分析

    通過測試發(fā)現(xiàn)，提票終端可以ping通總部服務(wù)器，但當(dāng)限定數(shù)據(jù)包長度時，大包無法ping通，經(jīng)測試，最大可以ping通的數(shù)據(jù)包大小為1 468 bytes，根據(jù)本文中的結(jié)論，可以得出此時在網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包大小為1 496 bytes，在數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)幀大小為1 496+4+4+18=1 522 bytes。

    通過檢查路由器的配置，發(fā)現(xiàn)路由器MTU值設(shè)置為1 500 bytes，1 496小于1 500，所以網(wǎng)絡(luò)層MTU值滿足條件。

    此時，我們考慮傳輸層以及數(shù)據(jù)鏈路層的兩個參數(shù)，一個是傳輸層MSS，另一個是數(shù)據(jù)鏈路層最大幀長度。通過查看路由器配置，發(fā)現(xiàn)MSS為默認值1 460 bytes，根據(jù)3.3章節(jié)，得出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實際TCP數(shù)據(jù)載荷大小為1 496-20=1 476 bytes，小于MSS值，故傳輸層參數(shù)滿足條件。通過查看光端機配置，我們發(fā)現(xiàn)，光端機最大幀長度設(shè)置為1 518 bytes，而本案例中實際傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀大小為1 522 bytes，所以導(dǎo)致以太網(wǎng)幀被光端機丟棄，造成業(yè)務(wù)不通。

5.3  問題處理

    通過前面章節(jié)的分析，問題可以從兩個方面解決，一方面可以調(diào)整MSS值（默認為1 460），通過在路由器上配置ip tcp adjust-mss 1 456，可以使數(shù)據(jù)的MSS值調(diào)整為1 456，這樣數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀后的大小為1 518，滿足最大幀長度要求，可以通過光端機進行傳輸。另一方面可以通過修改光端機最大幀長度，如圖9所示，以馬可尼光端機為例，將最大幀長度上調(diào)為1 600，同樣可以使數(shù)據(jù)通過光端機進行傳輸。實際測試顯示，通過兩種方法均能解決提票業(yè)務(wù)大包不通問題。

    本文通過分析數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)以及封裝過程，了解了MSS值、MTU值及最大幀長度在數(shù)據(jù)傳輸過程中的功能及作用，學(xué)會了通過調(diào)整MSS值及最大幀長度參數(shù)解決業(yè)務(wù)大包不通問題，為今后電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)大包不通故障的分析處理提供了新的思路，積累了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻

[1] FALL K R，STEVENS W R，TCP/IP 詳解 卷1：協(xié)議[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[2] Jeff Doyle，Jennifer Carroll，TCP/IP 路由技術(shù)（第一卷）（第二版）[M].北京：人民郵電出版社，2007.

作者信息:

段寒碩1，葉  青1，金  燊1，楊廣濤2

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京100053；

2.國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司信息通信分公司，河北 承德067000）