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一、MTU的定義及相關(guān)概念：
Mtu即最大傳輸單元，全稱為Maximum Transmission Unit，是指通信協(xié)議的某一層上面所能通過的最大數(shù)據(jù)包大小(以字節(jié)為單位)。由于定義的模糊性，在此也介紹幾個相關(guān)的名詞，MRU、PMTU、MSS和JUMBO FRAME，供大家甄別。
二、MTU涉及主要原理：
1、常見網(wǎng)絡(luò)的MTU值：
IP網(wǎng)絡(luò)以包為單位進行信息傳遞，那么，一次傳送多大的包合適、多大的包最高效就成為一個核心問題之一。MTU就是決定在什么樣的物理網(wǎng)絡(luò)傳送多大數(shù)據(jù)包大的事實標準，不同類型網(wǎng)絡(luò)由于物理特性、發(fā)展階段不同，其MTU的默認值也不盡相同，以下是摘錄的各類網(wǎng)絡(luò)及其默認MTU值：
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對于windows操作系統(tǒng)來講，其以太網(wǎng)網(wǎng)卡MTU默認為1500，但可以通過修改工具或修改注冊表進行修改，但只能改小，不能改大，即只能修改為小于或等于1500字節(jié)。
2、PMTU 發(fā)現(xiàn)過程：
對于一個基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來講，如果應(yīng)用穿過網(wǎng)絡(luò)的MTU與PMTU相等，那么應(yīng)用穿過網(wǎng)絡(luò)的效率最高，或者說，應(yīng)用通過主機網(wǎng)卡發(fā)出的最大數(shù)據(jù)包與PMTU越接近(指小于等于PMTU)，應(yīng)用穿過網(wǎng)絡(luò)的效率越高，原因是有效的避免了分片和重組。
為了達到這個目的，一些操作系統(tǒng)支持自動發(fā)現(xiàn)路徑MTU的功能，具體過程為：
路由器接口上收到一個報文長度大于本接口MTU值的報文，如果該報文被打上不分片的標記，將丟棄本報文，并且返回一個ICMP差錯報文，通知報文發(fā)起者丟棄原因。報文發(fā)起者將發(fā)送比較小的報文。通過多次上述報文協(xié)商，將得到對于某一個固定路徑上的最小Mtu值，這個過程叫做“Mtu Discovery”[詳見RFC1191]。
了解了MTU發(fā)現(xiàn)的原理，舉一個實例驗證PMTU變化過程：
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在上圖所示實驗網(wǎng)絡(luò)中，由三層設(shè)備模擬PPPOE撥號，實現(xiàn)接入寬帶IP網(wǎng)。三層設(shè)備上行以太網(wǎng)口默認MTU為1482字節(jié)。抓包結(jié)果顯示如下：
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將三層設(shè)備上行以太網(wǎng)口默認MTU改為1000字節(jié)。抓包結(jié)果顯示如下：
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3、“PMTU”發(fā)現(xiàn)存在的問題：
由于互聯(lián)網(wǎng)上路由器或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置的無法統(tǒng)一規(guī)范，某些運營商或網(wǎng)站考慮到網(wǎng)絡(luò)安全和其它需要，有時會把ICMP報文過濾掉，此外，PMTU牽涉到主機、各類交換機、路由器、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些主機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有有效的手段實現(xiàn)PMTU的協(xié)商和交互,這樣Mtu Discovery不能正常運行，影響應(yīng)用正常運行，即實質(zhì)上目前沒有有效的手段來發(fā)現(xiàn)PMTU。
互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,遇到MTU發(fā)現(xiàn)報文或必須將IP包分片但DF設(shè)置為1時，路由器可采用以下任一種方式(從網(wǎng)上摘錄)：
發(fā)送符合 RFC 792 中最初定義的“ICMP Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，然后丟棄該包。原始消息格式中不包含有關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)失敗的鏈路的 IP MTU 的信息。(導(dǎo)致PMTU無法正常發(fā)現(xiàn))
? 發(fā)送符合 RFC 1191 中重新定義的“ICMP Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，然后丟棄該包。此新消息格式包含一個 MTU 字段，可指出轉(zhuǎn)發(fā)失敗的鏈路的 IP MTU。(PMTU可能會正常發(fā)現(xiàn))
RFC 1191 定義了路徑 MTU (PMTU) 發(fā)現(xiàn)，它使得源和目的 TCP 對等方能夠動態(tài)地發(fā)現(xiàn)二者之間路徑的IP MTU，從而發(fā)現(xiàn)該路徑的 TCP MSS。一旦收到符合 RFC 1191 定義的“Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，TCP 就會將該連接的 MSS 調(diào)整為指定 IP MTU 減去 TCP 和 IP 報頭的大小。這樣，在該 TCP 連接上發(fā)送的后續(xù)包就不會超過最大大小，無需分段即可在該路徑上傳輸。
直接丟棄包。直接丟棄需分段但 DF 標記設(shè)置為 1 的包的路由器稱為 PMTU 黑洞路由器。
總之，PMTU的不可發(fā)現(xiàn)性，導(dǎo)致因MTU問題引起的應(yīng)用系統(tǒng)無法正常運行情況時有發(fā)生。
4、超過MTU值的數(shù)據(jù)包分片、重組過程：
IP包的格式如下：
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IP包的分片重組牽涉到IP包頭的幾個重要字段，主要是標識符、標識位、偏移量，分別詳述如下：
標識符(Identification)：在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，發(fā)送主機給每個數(shù)據(jù)包一個ID值，放在16位的標識符字段中。此ID用于標識唯一的數(shù)據(jù)報或數(shù)據(jù)流。接收主機利用此ID對收到的數(shù)據(jù)報進行重組。當分片的IP數(shù)據(jù)報從源地址發(fā)送到目的地址的時候，由于網(wǎng)絡(luò)延遲或者不同的傳輸路徑的關(guān)系，在到達目的主機時，這些分片數(shù)據(jù)報并不總是有序的到達，而是處于一種無序狀態(tài)，因此，接收主機便用此ID判斷接收的這些分片數(shù)據(jù)報是否屬于同一個數(shù)據(jù)流，然后再進行重組。
標志(Flags)：第一個bit稱為R位，目前保留未用。第二個bit稱為DF位，Don't Fragment，“不分片”位，即如果將這一比特置1 ，表示上層應(yīng)用不允許分片，IP層將不對數(shù)據(jù)報進行分片。第三個bit稱為MF位，More Fragment，“更多的片”。除了最后一個數(shù)據(jù)分片外，其他每個組成數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)分片都要把該比特置1，表示有更多的分片。
偏移量(Framentation offset)：13位的偏移量字段用來表示分段的數(shù)據(jù)報在整個數(shù)據(jù)流中的位置，即相當于分片數(shù)據(jù)報的順序號。發(fā)送主機對第一個數(shù)據(jù)報的偏移量置為0，而后續(xù)的分片數(shù)據(jù)報的偏移量則以網(wǎng)絡(luò)的MTU大小賦值。偏移量對于接收方進行數(shù)據(jù)重組的時候，這是一個唯一依據(jù)。對于分片的數(shù)據(jù)段(單位：字節(jié))必須為8的整數(shù)倍，否則IP無法表達其偏移量。
了解了數(shù)據(jù)分片的幾個關(guān)鍵字段后，我們找一個實例說明分片過程(從網(wǎng)上摘錄)：
在MTU為1500的以太網(wǎng)中，源主機如果需要通過UDP傳送3000字節(jié)的數(shù)據(jù)到目的主機，這時的分段情況如下所示(假定在同一網(wǎng)段)：
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此處需要注意的是對于分片1的報頭，相對于其他兩個分片的報頭要多8個字節(jié)UDP協(xié)議報頭的開銷。因此，在計算實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)凈載荷時，分片1要多減去8字節(jié)UDP報頭。最后，接收主機通過包ID、標識位、偏移量值將數(shù)據(jù)重組成完整的數(shù)據(jù)。
需要注意是，有些數(shù)據(jù)包在一次分片后，由于遇到更小MTU的網(wǎng)絡(luò)，還可能被繼續(xù)分片。為數(shù)據(jù)包分片和為數(shù)據(jù)包再次分片的區(qū)別在于網(wǎng)關(guān)處理MF位的不同。在一個網(wǎng)關(guān)為原來未分片的數(shù)據(jù)包分片時，除了末尾的數(shù)據(jù)包片，它將其余所有分片上的MF位置為1，最后一片為0。然而，當網(wǎng)關(guān)為一個非末尾的數(shù)據(jù)包片再次分片時，它會把生成的所有子分片中的MF位全部調(diào)為1，因為所有這些子分片都不可能是整個數(shù)據(jù)包末尾的數(shù)據(jù)包。分片中標志字段的M值取決于該分片是否是原始分組的最后一片，而片偏移量也是相對于原始分組的偏移量。
三、MTU對上層應(yīng)用的影響：
1、TCP、UDP等上層應(yīng)用傳輸效率的高低與PMTU有密切聯(lián)系。
對TCP來講，其傳輸效率與MSS的合適大小密切相關(guān)，而MTU是決定MSS大小的唯一因素。MSS的大小會在TCP連接建立階段進行協(xié)商，具體協(xié)商過程如下：
TCP client發(fā)出SYN報文，其中option選項填充的MSS字段一般為(MTU-IP頭大小-TCP頭大小)，同樣TCP server收到SYN報文后，會發(fā)送SYN+ACK報文應(yīng)答，option選項填充的mss字段也為(MTU-IP頭大小-TCP頭大小);協(xié)商雙方會比較SYN和SYN+ACK報文中MSS字段大小，選擇較小的MSS作為發(fā)送TCP分片的大小。
理論上，如果MSS與合適的MTU即PMTU(我認為合適的PMTU為路徑上可不分片通過的最大MTU)匹配，TCP傳輸效率最高，因為免去了分片、重組等工作。但由于PMTU發(fā)現(xiàn)過程無法保證，導(dǎo)致最終發(fā)現(xiàn)的MTU可能并不合適路徑傳輸，造成部分應(yīng)用的分片和重組，降低了傳輸效率。
2、部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對特定應(yīng)用的分片報文處理能力弱，造成部分應(yīng)用故障。
目前，國內(nèi)寬帶IP網(wǎng)絡(luò)多數(shù)用戶采用PPPOE撥號方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)接入。位于電信運營商內(nèi)側(cè)的BAS設(shè)備用于終結(jié)PPP連接，實現(xiàn)用戶接入?yún)R聚。實際應(yīng)用中，部分BAS設(shè)備對VPDN等特定應(yīng)用的分片、重組機制不健全，造成部分基于VPDN方式的業(yè)務(wù)速度緩慢。如：筆者曾發(fā)現(xiàn)過某廠商BAS設(shè)備ME60當TSU板未啟用時，其于L2TP隧道的VPDN撥號應(yīng)用，經(jīng)常出現(xiàn)業(yè)務(wù)訪問緩慢，甚至不通的情況，當啟用TSU板后，業(yè)務(wù)恢復(fù)正常(經(jīng)了解，TSU板是專門用于基于隧道或其它協(xié)議數(shù)據(jù)包分片處理功能)。某廠商設(shè)備SE800，承載了基于L2TP隧道的VPDN撥號應(yīng)用后，部分應(yīng)用可以使用，部分應(yīng)用無法正常運行。
3、部分網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備對分片的重組過程進一步影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。
原則上，當某個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)在傳輸過程中發(fā)生分片后，只有發(fā)送端和接收端會進行分片的重組，這已經(jīng)影響到業(yè)務(wù)運行速度。當分過片的IP包經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測設(shè)備、安全系統(tǒng)等設(shè)備時，基于安全和其它特定目的，有些設(shè)備要求完成數(shù)據(jù)包的分片和重組，會進一步延緩應(yīng)用的運行速度，甚至導(dǎo)致部分應(yīng)用無法使用。
四、MTU常見問題小結(jié)(摘錄自網(wǎng)絡(luò))：
1、為何有些共享上網(wǎng)的路由器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以太網(wǎng)口MTU值不是1500?
有些通過共享路由器PPPOE撥號上網(wǎng)的路由器上連口(與ADSL調(diào)制器互聯(lián)的以太網(wǎng)口)MTU為1492，因為PPP報文占據(jù)了8個字節(jié)，導(dǎo)致承載數(shù)據(jù)信息的IP報文大小變成了1492。
2、為什么在思科路由器上GRE接口的默認MTU為1476?
因為GRE會重新封裝一個IP包頭，以及加上GRE的4字節(jié)頭部，一共是24個字節(jié)。這樣總的用于應(yīng)用的IP包的長度為1476。
3、為什么支持VLAN標記的接口MTU要大于1514字節(jié)?
由于VLAN的原理是在以太網(wǎng)的幀頭部加入了4個字節(jié)的VLAN TAG信息，因此在支持802.1q標記的鏈路的接口上要求MTU不小于1518字節(jié)，才能保證凈荷為1500的數(shù)據(jù)包順利通過該接口。
4、MTU和各種VPN的關(guān)系有無規(guī)律性?
因VPN的實現(xiàn)需要對原有的IP或者是TCP/UDP數(shù)據(jù)進行封裝，因此也就增加了數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的總長度，這樣也就導(dǎo)致了VPN 承載的數(shù)據(jù)凈荷值的減小，具體減少的數(shù)值與不同的VPN類型相關(guān)。
即：MTU=經(jīng)VPN封裝后數(shù)據(jù)包長度-VPN封裝包頭長度
5、對于因MTU問題引起的應(yīng)用系統(tǒng)故障現(xiàn)象有哪些?處理思路是什么?
因MTU引的網(wǎng)絡(luò)問題表現(xiàn)各種各樣，如：有些游戲，經(jīng)常卡機。有的網(wǎng)站，部分網(wǎng)頁可以打開，部分網(wǎng)頁打不開?？偟膩碇v，如果網(wǎng)絡(luò)不丟包，而網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時快時慢，或部分應(yīng)用無法使用，很大程度上可以定位為MTU問題。
對于MTU引起的問題，處理思路為：要么增加網(wǎng)絡(luò)中最細管道的MTU值，要么減少終端應(yīng)用發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)包大小。對于終端的MTU，會有各種各樣的工具或方法進行修改。
工商網(wǎng)監(jiān)
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