Introducción
Como parte de la pila de protocolos TCP/IP, el Protocolo de Internet (IP) se encarga de transportar paquetes de datos a través de redes interconectadas, desde el origen hasta el destino. Cuando un paquete de datos se envía entre hosts en redes diferentes, los enrutadores lo transportan a lo largo de la ruta, salto a salto, atravesando numerosos enlaces físicos de red. En cada paso de la ruta, los datos del paquete se encapsulan en una trama de la capa de enlace de datos, que a su vez se envía a los enlaces físicos de red para su transmisión. El tamaño de estos paquetes transmitidos a través de la red está determinado por un mecanismo denominado Unidad Máxima de Transmisión (MTU).
Dado que la MTU es una parte esencial de cualquier tecnología de red de conmutación de paquetes, es importante explicar la terminología que se utiliza para describir estos conceptos.
MTU de enlace: representa el tamaño máximo del paquete de datos que puede atravesar un enlace entre dos nodos de red. El tamaño de la MTU de enlace varía según las diferentes tecnologías de red que operan en la capa de red del modelo OSI.
MTU de ruta: representa el tamaño máximo del paquete de datos que puede viajar por una ruta desde el origen hasta el destino sin fragmentarse. Por lo tanto, la MTU de ruta es igual al tamaño mínimo de paquete de la MTU de enlace en la ruta desde el origen hasta el destino.
Tamaño del paquete MTU de IPv6
Para que un paquete de datos se transmita correctamente, su tamaño debe ser lo suficientemente pequeño como para caber dentro de la trama de capa inferior en cada salto de la red. La Unidad Máxima de Transmisión (MTU) define el límite de tamaño de los paquetes para cualquier tecnología de red física. Si en una parte específica de la red el tamaño del paquete supera la MTU especificada, este debe dividirse en fragmentos más pequeños; en términos de redes, este proceso se denomina fragmentación. Estos fragmentos se reensamblan en el dispositivo de destino.
Todas estas cuestiones se aplican a la transmisión de paquetes en ambas versiones de los protocolos, tanto en IPv6 como en IPv4. Sin embargo, al analizar las especificaciones de ambos protocolos, surgen detalles muy importantes sobre los cambios en la forma en que se realiza la fragmentación y el reensamblaje.
Algunas diferencias y mejoras muy importantes entre IPv4 e IPv6 en relación con el tamaño del paquete MTU y el proceso de fragmentación y reensamblaje son:
MTU mínimo predeterminado: en la especificación IPv4 [1] se establece que cada enrutador de Internet y enlace físico debe poder reenviar un paquete de 68 octetos, mientras que la MTU recomendada es de 576 octetos sin fragmentación adicional. Las diferentes tecnologías de transmisión admiten diferentes tamaños de MTU, como se muestra en la tabla 1.
Red |
MTU (bytes) |
Anillo de tokens de 16 Mbps |
17914 |
Anillo de tokens de 4 Mbps |
4464 |
FDDI |
4352 |
Ethernet |
1500 |
IEEE 802.3/802.2 |
1492 |
PPPoE (Minipuerto WAN) |
1480 |
X.25 |
576 |
Sin embargo, en la especificación IPv6 [2], se requiere que cada enrutador de internet y enlace físico pueda reenviar un paquete con un tamaño de MTU no inferior a 1280 octetos. Este aumento de más del doble en el tamaño del paquete MTU en redes IPv6 mejora la eficiencia de la transmisión al incrementar la relación entre la carga útil máxima y la longitud de la cabecera, además de reducir la frecuencia con la que se requiere la fragmentación de paquetes. Esta diferencia en las MTU de IPv4 e IPv6 podría generar un problema de fragmentación de paquetes en la tunelización de redes IPv6 sobre IPv4, como se explicará más adelante.
Fragmentación de paquetes: en redes IPv4, los paquetes pueden ser fragmentados tanto por el dispositivo de origen como por los enrutadores a lo largo de la ruta hacia la red de destino. En redes IPv6, solo el dispositivo de origen puede fragmentar el paquete; los enrutadores a lo largo de la ruta no pueden hacerlo. Por lo tanto, es responsabilidad del dispositivo de origen fragmentar el paquete al tamaño mínimo de unidad de transmisión (MTU) de la ruta antes de transmitirlo a la red.
Informe de errores de tamaño de MTU: dado que en las redes IPv6 [2] los enrutadores a lo largo de la ruta no pueden fragmentar los paquetes, deben descartarlos si se ven obligados a enviar un paquete demasiado grande a través de un enlace físico. Para resolver los problemas que podrían surgir debido a este inconveniente, se ha definido un proceso de retroalimentación mediante el mecanismo ICMPv6 que informa al dispositivo emisor que está utilizando paquetes demasiado grandes para la ruta.
Proceso de descubrimiento de rutas de MTU
En las redes IPv4, los enrutadores gestionan la fragmentación de paquetes en cada etapa de la ruta, lo que provoca diversos problemas de procesamiento y rendimiento. En cambio, los enrutadores IPv6 ya no realizan la fragmentación. En su lugar, el dispositivo IPv6 de origen utiliza un proceso de descubrimiento para determinar la MTU óptima que debe utilizarse durante una sesión de transmisión de paquetes. Durante este proceso, el dispositivo IPv6 de origen intenta enviar un paquete del tamaño especificado por las capas IP superiores, por ejemplo, las capas de transporte y aplicación. Si el dispositivo IPv6 de origen recibe un mensaje ICMPv6 de tipo 1 (destino inalcanzable) [5] o de tipo 2 (paquete demasiado grande), retransmite el paquete de descubrimiento de MTU con una MTU menor. Este proceso se repite hasta que el dispositivo recibe una respuesta que indica que el paquete de descubrimiento llegó intacto al destino. Una vez finalizado este proceso, el dispositivo transmisor establece la MTU para la sesión. Durante el proceso de transmisión de paquetes, cada dispositivo de origen realiza un seguimiento del tamaño de la MTU para cada sesión utilizando la etiqueta de flujo en la cabecera del paquete IPv6.
El proceso de descubrimiento de MTU de ruta (PMTUD) se ilustra en la figura 1. El host de origen A quiere enviar un paquete al host de destino D. El host A inicia la sesión enviando un paquete al host de destino D utilizando su MTU de capa de enlace local de 6455 octetos.
El primer paquete llega al Router B, que no puede reenviarlo porque la MTU del siguiente enlace es menor. El Router B descarta el paquete y envía al Host A un mensaje de error ICMPv6 "Packet to Big" y la MTU del siguiente enlace del Router B, que es de 3820 octetos. El Host A de origen utiliza esta información recién recibida sobre el tamaño de la MTU de 3820 octetos y reenvía el paquete al Host D de destino. Esta vez, el paquete pasará por el Router B y se detendrá en el Router C porque el tamaño de la MTU del siguiente enlace es menor que la MTU del paquete que llega. De manera similar, el Router C descarta un paquete y envía un mensaje de error ICMPv6 que contiene información sobre el tamaño de la MTU, de aproximadamente 1500 octetos, para el enlace de destino en el Router C. Ahora el Host A utiliza esta nueva información del tamaño de la MTU de 1500 octetos y reenvía el paquete al Host D. Esta vez, el Host D recibirá el paquete correctamente. El host A seleccionará entonces el último tamaño de paquete MTU de 1500 octetos como MTU de ruta para todas las comunicaciones futuras con el host D. Para cada sesión de transmisión, el host A creará y mantendrá una tabla de MTU de ruta.
Problemas con el descubrimiento de MTU de ruta (PMTUD)
Como se vio en el ejemplo anterior, el host que inicia la sesión de comunicación realiza el descubrimiento de MTU de ruta (PMTUD) enviando el paquete con la MTU de su enlace local y con el bit No fragmentar (DF) [3] activado en la cabecera IP. Cuando la MTU del paquete era demasiado grande para que un enrutador lo reenviara por un enlace determinado, el enrutador devolvía un mensaje de error ICMPv6 de tipo 1 y tipo 2. El host emisor ajusta entonces el tamaño del paquete MTU en función del mensaje ICMPv6.
El problema surge con el descubrimiento de MTU de ruta cuando un enrutador o cortafuegos bloquea el mensaje ICMPv6 en dicho trayecto. Este problema se ilustra en la figura 2.
El host A inicia la sesión de comunicación enviando un paquete con una MTU de 1500 octetos al cortafuegos, que a su vez lo reenvía al router ISP-1. Dado que el paquete entrante es mayor que la MTU del enlace local en el router ISP-1, este lo descarta y envía de vuelta al host A mensajes ICMPv6 de tipo 1 y tipo 2. En la ruta de retorno, el cortafuegos bloquea los mensajes ICMPv6.
Debido a que el firewall bloquea el mensaje ICMPv6 de respuesta del enrutador ISP-1, el host A desconoce que debe reducir el tamaño de los paquetes que envía. En consecuencia, el host A seguirá enviando paquetes demasiado grandes, y el enrutador ISP-1 continuará descartándolos y generando mensajes ICMPv6.
El proceso por el cual un mensaje ICMP no llega al host emisor para informarle que necesita ajustar el tamaño de la MTU se denomina agujero negro de MTU de ruta [3]. Esto puede ocurrir como resultado de una configuración incorrecta del enrutador o de errores de software, o bien, por motivos de seguridad, los mensajes ICMPv6 entrantes son bloqueados por los firewalls.
El proceso de descubrimiento de MTU de ruta es beneficioso para el rendimiento de la red porque, a medida que cambian las rutas de enrutamiento, una nueva MTU podría ser más apropiada. Los dispositivos realizan un descubrimiento de MTU cada 5 minutos [4] para comprobar si el tamaño de la MTU ha aumentado o disminuido a lo largo de la ruta. Las capas de aplicación y transporte de IPv6 aceptan las notificaciones de reducción de MTU de la capa IPv6. Si por alguna razón estas capas superiores no aceptan las notificaciones, IPv6 dispone de un mecanismo para que los dispositivos de origen reduzcan los paquetes que sean demasiado grandes.
Conclusión
IPv6 es un protocolo de próxima generación de Internet que incorpora numerosas mejoras con respecto a su predecesor, IPv4. IPv6 emplea el mecanismo de descubrimiento de MTU de ruta para determinar el tamaño de MTU de paquete más adecuado para una sesión de transmisión específica. El nodo de origen envía un paquete con la MTU de su enlace físico local, que representa el límite superior de la MTU para esa ruta. Si la transmisión del paquete se realiza sin errores hasta el destino, este será el tamaño definitivo de la MTU para esa sesión. Si, por algún motivo, un enrutador en la ruta devuelve el mensaje "Paquete demasiado grande", el nodo emisor intentará reenviar el paquete con un tamaño menor. La ventaja del mecanismo de descubrimiento de MTU de ruta radica en que determina la MTU óptima para la sesión de comunicación y elimina la necesidad de fragmentación innecesaria de paquetes por parte de los dispositivos de red a lo largo de la ruta.
El mecanismo de descubrimiento de MTU de ruta es una característica estable y dinámica de la implementación del protocolo IPv6. Requiere que el nodo emisor realice un seguimiento de las MTU para las diferentes rutas de comunicación y las actualice periódicamente. Esto se realiza cada 5 minutos [4] o cuando un nodo recibe un paquete de mensaje ICMPv6 demasiado grande.
Las redes IPv6 permiten una sólida compatibilidad con diversos tamaños de MTU en diferentes ubicaciones de Internet. Por ejemplo, las redes troncales de Internet pueden usar MTU de mayor tamaño para sus usuarios de capa superior con alto consumo de datos, mientras que numerosos proveedores de servicios de Internet (ISP) que dan servicio a millones de pequeños clientes pueden usar eficientemente MTU más pequeñas de 1500 octetos.
