UDP/TCP中最大可傳輸單元MTU解析

一、MTU 簡述 - 分包后數(shù)據(jù)包最大長度

1、定義

Maximum Transmission Unit（最大可傳輸單元） 的縮寫，它的單位是字節(jié)。在 *數(shù)據(jù)鏈路層* 定義

一個數(shù)據(jù)包穿過一個大的網(wǎng)絡，它其間會穿過多個網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡的 MTU 值是不同的。這個網(wǎng)絡中最小的 MTU 值，被稱為路徑 MTU。

假設：我們的接受/發(fā)送端都是以太網(wǎng)，它們的 MTU 都是 1500，我們發(fā)送的時候，數(shù)據(jù)包會以 1500 來封裝，然而，不幸的是，傳輸中有一段X.25網(wǎng)，它的 MTU 是 576，這會發(fā)生什么呢？

結(jié)論是顯而易見的，這個數(shù)據(jù)包會被再次分片，更重要的是，這種情況下，如果 IP 包被設置了“不允許分片標志”，那會發(fā)生些什么呢？

對，數(shù)據(jù)包將被丟棄，然事收到一份ICMP不可達差錯，告訴你，需要分片！

很顯然，MTU 值設置得過大或過小，都會在一定程度上影響我們上網(wǎng)的速度。

在應用程序中我們用到的 Data 的長度最大是多少，直接取決于底層的限制，即：MTU

以太網(wǎng)（Ethernet）的 數(shù)據(jù)幀 在鏈路層 IP包 在網(wǎng)絡層 TCP或UDP包 在傳輸層 TCP或UDP中的數(shù)據(jù)（Data)在應用層

它們的 關系是 數(shù)據(jù)幀｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝

2、網(wǎng)絡中 MTU 值的由來：

1>、最大值：

對于 IP 數(shù)據(jù)包來講，在 IP 包頭中，以 兩個字節(jié)（16 位）來描述 IP 包的長度，也就是說，一個 IP 包，最長可能是 65535字節(jié)（64K）。

那么加上以太網(wǎng)幀頭和尾，一個以太網(wǎng)幀的大小就是：65535 + 14 + 4 = 65553，看起來似乎很完美，發(fā)送方也不需要拆包，接收方也不需要重組

但，使用最大值真的可以嗎？我們往下看

2>、最佳值的推導：

a>、按最大值來推算：

IP 數(shù)據(jù)包按最大值 65535字節(jié) 來算，假設我們現(xiàn)在的帶寬是：100Mbps，因為以太網(wǎng)幀是傳輸中的最小可識別單元，再往下就是0101所對應的光信號了，所以我們的一條帶寬同時只能發(fā)送一個以太網(wǎng)幀。

如果同時發(fā)送多個，那么對端就無法重組成一個以太網(wǎng)幀了，在100Mbps的帶寬中（假設中間沒有損耗），我們計算一下發(fā)送這一幀需要的時間：

(65553*8)/(100*1024*1024)≈0.005(s)

在100M網(wǎng)絡下傳輸一幀就需要5ms，也就是說這5ms其他進程發(fā)送不了任何數(shù)據(jù)。如果是早先的電話撥號，網(wǎng)速只有2M的情況下：

(65553*8)/(2*1024*1024)≈0.100(s)

100ms，這簡直是噩夢。其實這就像紅綠燈，時間要設置合理，交替通行，不然同一個方向如果一直是綠燈，那么另一個方向就要堵成翔了。

小知識：

Mbps，其全稱為 Million bits per second，意為每秒傳輸百萬位（比特）數(shù)量的數(shù)據(jù)

而這里的 bit（比特，1比特等于1個位）是表示數(shù)字信號數(shù)據(jù)的最小單位。

1 字節(jié) = 8 比特，所以有 65553 * 8

b>、既然大了不行，那設置小一點可以么？

假設 MTU 值設置為100，那么單個幀傳輸?shù)臅r間，在 2Mbps 帶寬下需要：

(100*8)/(2*1024*1024)*1000≈5(ms)

時間上已經(jīng)能接受了，問題在于，不管 MTU 設置為多少，以太網(wǎng)頭幀尾大小是固定的，都是14 + 4，所以在 MTU 為 100 的時候，一個以太網(wǎng)幀的傳輸效率為：

(100-14-4)/100=82%

寫成公式就是：( T - 14 - 4 ) / T，當T趨于無窮大的時候，效率接近100%，也就是MTU的值越大，傳輸效率最高，但是基于上一點傳輸時間的問題，來個折中的選擇吧，既然頭加尾是18，那就湊個整來個1500，總大小就是1518，傳輸效率：

1500/1518=98.8%

100Mbps傳輸時間：

(1518*8)/(100*1024*1024)*1000=0.11(ms)

2Mbps傳輸時間：

(1518*8)/(2*1024*1024)*1000=5.79(ms)

總體上時間都還能接受。

故，得出 MTU 為 1500字節(jié) 這個經(jīng)驗值。

3>、最佳值：

在 Ethernet 中，MTU 為 1500字節(jié);

在 FDDI 中，MTU 為 4352字節(jié);

在 IP over ATM 中，MTU 為 9180字節(jié)。

其實一個標準的 以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)幀大小是：1518，頭信息有 14 字節(jié)，尾部校驗和 FCS 占了 4 字節(jié)

4>、最小值：

最小值被限制在 64 = *46*(IP包大小) + 14 (以太網(wǎng)頭) + 4 (尾部校驗和 FCS)

為什么是 64 呢？

這個其實和以太網(wǎng)幀在半雙工下的碰撞有關，感興趣的同學可以自行去搜索。

5>、碎片與特大數(shù)據(jù)包：

在以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包的大小范圍是在 64—1518 字節(jié)之間，如果除去頭部開銷，則實際的數(shù)據(jù)大小為 46—1500 字節(jié)之間。

一般情況下，數(shù)據(jù)包的大小都是在這個范圍內(nèi)，如果數(shù)據(jù)包 小于64 字節(jié)，稱為 碎片；

而如果 大于1518 字節(jié)，稱為 特大數(shù)據(jù)包。

這兩種類型的數(shù)據(jù)包都是非正常的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，它們將影響網(wǎng)絡的正常運行。

無論是碎片或特大數(shù)據(jù)包，都會增加網(wǎng)絡的負載，導致網(wǎng)絡故障的發(fā)生。

所以，我們在對網(wǎng)絡進行分析的時候，對數(shù)據(jù)包大小的判斷也是不可缺少的一個環(huán)節(jié)。

6>、發(fā)送小于最小值的包，會出現(xiàn)什么情況呢？

正常接收：

在用 UDP 局域網(wǎng)通信時，經(jīng)常發(fā)生 “Hello World” 來進行測試，

但是 “Hello World” 并不滿足最小有效數(shù)據(jù) (46) 的要求，為什么小于 46 個字節(jié)，對方仍然可用收到呢？

因為在 鏈路層 的 MAC 子層中會進行數(shù)據(jù)補齊，不足 46 個字節(jié)的用 0 補齊。

收不到數(shù)據(jù)：

但當服務器在公網(wǎng)，客戶端在內(nèi)網(wǎng)，發(fā)生小于 46 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，就會出現(xiàn)接收端 收不到數(shù)據(jù)的情況。

7>、應用層 TCP/UDP 發(fā)送的源數(shù)據(jù)大小限制

小知識：

TCP 包頭中，是沒有對 數(shù)據(jù)包總大小 的定義 - 數(shù)理論上沒有大小限制。

UDP 包頭中，用 兩個字節(jié)（28=16bits） 來定義 數(shù)據(jù)包的總大小 -- 2^16 = 65535字節(jié) **即：***64k**

1、TCP 是以 數(shù)據(jù)流 形式傳輸數(shù)據(jù)，所以使用 send 函數(shù)理論上沒有大小限制。

一般數(shù)據(jù)包太長的話會進行多次拆包傳輸，數(shù)據(jù)包短的話會放到下一次數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)送。

2、UDP 協(xié)議發(fā)送時，用 sendto 函數(shù)最大能發(fā)送數(shù)據(jù)的長度為：65535- IP頭(20) - UDP頭(8)＝65507字節(jié)。

用 sendt o函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果發(fā)送數(shù)據(jù)長度大于該值，則函數(shù)會返回錯誤

3、UDP 協(xié)議分成若干個包發(fā)送，會發(fā)送整個數(shù)據(jù)丟失問題

如果數(shù)據(jù)小于 65507字節(jié) ，則：按照 MTU 的值進行分包，分成若干個包，然后發(fā)送出去；

而 接收方 IP 層就需要進行數(shù)據(jù)報的重組。當 IP 層組包發(fā)生錯誤，那么包就會被丟棄。

接收方無法重組數(shù)據(jù)報，將導致丟棄整個 IP 數(shù)據(jù)報。

3、OSI 七層結(jié)構(gòu)：

img

網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸過程：

**在 **傳輸層**，切割成 *數(shù)據(jù)段*；

**在 **網(wǎng)絡層**，打成 IP 包 *數(shù)據(jù)包*；

**在 **數(shù)據(jù)鏈路層**，切割成 *數(shù)據(jù)幀*。

**在 **物理層**，轉(zhuǎn)變成 *比特流*。

二、計算 udp 或 tcp 包的最佳大小：

img

從上圖可知：本地 MTU 值 = 1500，那么：

UDP 包的大小: 1500 - IP頭(20) - UDP頭(8) = 1472(Bytes)

TCP 包的大小: 1500 - IP頭(20) - TCP頭(20) = 1460 (Bytes)

三、MTU 對 UDP、TCP 的影響

1、MTU 對 UDP 的影響：

一旦 UDP 攜帶的數(shù)據(jù) 超過1472（1500-20（IP首部）-8（UDP首部）），那么 UDP 數(shù)據(jù)就會在網(wǎng)絡層被分成多個 IP 數(shù)據(jù)報

既：發(fā)送方 IP 層就需要將數(shù)據(jù)包分成若干片，而接收方 IP 層就需要進行數(shù)據(jù)報的重組。

更嚴重的是，如果使用 UDP 協(xié)議，當 IP 層組包發(fā)生錯誤，那么包就會被丟棄。

接收方無法重組數(shù)據(jù)報，將導致丟棄整個 IP 數(shù)據(jù)報。

UDP不保證可靠傳輸；但是 TCP發(fā)生組包錯誤時，該包會被重傳，保證可靠傳輸。

2、MTU 對 TCP 的影響：

TCP 的一個數(shù)據(jù)報也不可能無限大，還是受制于 MTU，TCP 單個數(shù)據(jù)報的最大消息長度，稱為 MSS

TCP 在建立連接的過程中，雙方會進行 MSS 協(xié)商

最理想的情況下，MSS 的值正好是在 IP 不會被分片處理的最大長度（這個長度受限于數(shù)據(jù)鏈路層的 MTU）

雙方在發(fā)送 SYN 的時候會在 TCP 的頭部寫入字節(jié)能支持的 MSS 值

然后雙方得知對方的 MSS 值之后，選擇較小的作為最終 MSS

MMS 的值就在 TCP 首部的 40 字節(jié)變長選項中（kind=2）

MTU 通過限制 MSS（單個數(shù)據(jù)報的最大消息長度） 的取值，來限制單個 TCP 包的長度

3、MTU 和 MSS的關系

MTU：最大傳輸單元，由不同的數(shù)據(jù)鏈路層對應物理層產(chǎn)生的（硬件規(guī)定），以太網(wǎng)的MTU＝1500

MSS：最大分節(jié)大小，為 TCP 數(shù)據(jù)包每次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)分段大小

MSS 的取值受限于 MTU

四、如何測出當前網(wǎng)絡最佳MTU值

1、首先，我們必須明白什么才是最佳的 MTU 值。

1）當本地 MTU 值 > 網(wǎng)絡 MTU 值，網(wǎng)絡會進行拆包，這樣一來數(shù)據(jù)包數(shù)量增多，二來也增加了拆包組包的時間

2）當本地 MTU 值 < 網(wǎng)絡 MTU 值，雖然可以直接傳輸，但是卻沒有完全利用網(wǎng)絡的性能，沒有發(fā)揮出最大傳輸能力

因此，設置最合適的本地 MTU 值，就是要讓本地 MTU 值 = 網(wǎng)絡 MTU 值。

2、小知識：

如果 MTU 過大，在碰到路由器時會被拒絕轉(zhuǎn)發(fā)，因為它不能處理過大的包。

如果太小，因為協(xié)議一定要在包(或幀)上加上包頭，那實際傳送的數(shù)據(jù)量就會過小，這樣也劃不來。

大部分操作系統(tǒng)會提供給用戶一個默認值，該值一般對用戶是比較合適的。

3、怎樣才能知道自己的當前網(wǎng)絡環(huán)境的 MTU 值是多少呢？

下面便來介紹測試方法。

步驟一：

打開命令提示符窗口輸入以下命令（建議直接復制，以免誤將小寫字母 l 寫為數(shù)字 1），回車。

ping -l 1480 -f www.baidu.com

這條命令的意思是向 www.baidu.com（百度主頁）發(fā)送一個探測請求，請求將一個不允許分割的 1480 字節(jié)的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

步驟二：

若是出現(xiàn)傳輸失敗，提示需要拆分數(shù)據(jù)包的情況，則說明當前網(wǎng)絡的 MTU 值要比指定的 1480 小，因此我們就適當調(diào)小數(shù)據(jù)包的大小，再發(fā)送一條類似的命令

若是出現(xiàn)傳輸成功，則說明當前網(wǎng)絡的 MTU 值比 輸入的 要大。于是我們需要稍微調(diào)大數(shù)值，以便求得最為精確的網(wǎng)絡 MTU 值

步驟三：

如此這般，通過不斷修正數(shù)據(jù)包的大小，我們可以最終得到當前網(wǎng)絡的 MTU 值。

img

4、ping 命令使用的是 ICMP 協(xié)議

ping 命令使用的，既不是 tcp 報文，也不是 udp 報文

它用的是 ICMP 協(xié)議，與 IP 協(xié)議同級，屬于 網(wǎng)絡層，位于 tcp、udp（傳輸層）的下一層。【應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層】

5、計算結(jié)果分析

最后測試得出：最大數(shù)據(jù)傳輸為 1472 字節(jié)的數(shù)據(jù)包，則：

MTU = 1472 + 20字節(jié) IP 首部 + 8字節(jié) ICMP 首部 = 1500 字節(jié)