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 七層結構：

OSI模型	功能	主要協(xié)議	單位
應用層	文件傳輸，電子郵件，文件服務，虛擬終端	Telnet、FTP，HTTP(S)，SNMP，TFTP，SMTP，DNS	數(shù)據(jù)流
表示層	數(shù)據(jù)格式化，代碼轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)加密	CSS、GIF、HTML、JSON、XML	數(shù)據(jù)流
會話層	解除或建立與別的接點的聯(lián)系	FTP、SSH、TLS、HTTP(S)、SQL	數(shù)據(jù)流
傳輸層	提供端對端的接口	TCP，UDP	數(shù)據(jù)段
網(wǎng)絡層	為數(shù)據(jù)包選擇路由	IP，ICMP，RIP，OSPF，BGP，IGMP	數(shù)據(jù)包
數(shù)據(jù)鏈路層	傳輸有地址的幀以及錯誤檢測功能	MTU、SLIP，CSLIP，PPP，ARP，RARP，802.2、HDLC	幀
物理層	以二進制數(shù)據(jù)形式在物理媒體上傳輸數(shù)據(jù)	ISO2110，IEEE802，IEEE802.2，V.35，EIA/TIA-232	比特流

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：

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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。

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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)