UDP/TCP 最大可传输单元细节可不少~

向右看齐 2023-10-16 08:50 11阅读 0赞

## 一、MTU 简述 - 分包后数据包最大长度 ##

### 1、定义 ###

Maximum Transmission Unit（最大可传输单元） 的缩写，它的单位是字节。在 ***\*数据链路层\**** 定义

> 一个数据包穿过一个大的网络，它其间会穿过多个网络，每个网络的 MTU 值是不同的。这个网络中最小的 MTU 值，被称为路径 MTU。
> 
> 假设：我们的接受/发送端都是以太网，它们的 MTU 都是 1500，我们发送的时候，数据包会以 1500 来封装，然而，不幸的是，传输中有一段X.25网，它的 MTU 是 576，这会发生什么呢？
> 
> 结论是显而易见的，这个数据包会被再次分片，更重要的是，这种情况下，如果 IP 包被设置了“不允许分片标志”，那会发生些什么呢？
> 
> 对，数据包将被丢弃，然事收到一份ICMP不可达差错，告诉你，需要分片！
> 
> 很显然，MTU 值设置得过大或过小，都会在一定程度上影响我们上网的速度。

在应用程序中我们用到的 Data 的长度最大是多少，直接取决于底层的限制，即：MTU

> 以太网（Ethernet）的 数据帧 在链路层 　　**IP包** 在网络层 　　**TCP或UDP包** 在传输层 　　**TCP或UDP中的数据**（Data)在应用层
> 
> 它们的 **关系是** 数据帧｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝

### 2、网络中 MTU 值的由来： ###

#### 1>、最大值： ####

对于 IP 数据包来讲，在 IP 包头中，以 **两个字节（16 位）**来描述 IP 包的长度，也就是说，一个 IP 包，最长可能是 **65535**字节（64K）。

那么加上以太网帧头和尾，一个以太网帧的大小就是：`65535 + 14 + 4 = 65553`，看起来似乎很完美，发送方也不需要拆包，接收方也不需要重组

但，使用最大值真的可以吗？我们往下看

#### 2>、最佳值的推导： ####

**a>、按最大值来推算：**

IP 数据包按最大值 **65535**字节 来算，假设我们现在的带宽是：`100Mbps`，因为以太网帧是传输中的最小可识别单元，再往下就是0101所对应的光信号了，所以我们的一条带宽同时只能发送一个以太网帧。

如果同时发送多个，那么对端就无法重组成一个以太网帧了，在`100Mbps`的带宽中（假设中间没有损耗），我们计算一下发送这一帧需要的时间：

( 65553 * 8 ) / ( 100 * 1024 * 1024 ) ≈ 0.005(s)

在100M网络下传输一帧就需要5ms，也就是说这5ms其他进程发送不了任何数据。如果是早先的电话拨号，网速只有2M的情况下：

( 65553 * 8 ) / ( 2 * 1024 * 1024 ) ≈ 0.100(s)

100ms，这简直是噩梦。其实这就像红绿灯，时间要设置合理，交替通行，不然同一个方向如果一直是绿灯，那么另一个方向就要堵成翔了。

**小知识：**

> Mbps，其全称为 Million bits per second，意为每秒传输百万位（比特）数量的数据
> 
> 而这里的 bit（比特，1比特等于1个位）是表示数字信号数据的最小单位。
> 
> 1 字节 = 8 比特，所以有 65553 \* 8

**b>、既然大了不行，那设置小一点可以么？**

假设 MTU 值设置为100，那么单个帧传输的时间，在 2Mbps 带宽下需要：

( 100 * 8 ) / ( 2 * 1024 * 1024 ) * 1000 ≈ 5(ms)

时间上已经能接受了，问题在于，不管 MTU 设置为多少，以太网头帧尾大小是固定的，都是14 + 4，所以在 MTU 为 100 的时候，一个以太网帧的传输效率为：

( 100 - 14 - 4 ) / 100 = 82%

写成公式就是：`( T - 14 - 4 ) / T`，当T趋于无穷大的时候，效率接近`100%`，也就是MTU的值越大，传输效率最高，但是基于上一点传输时间的问题，来个折中的选择吧，既然头加尾是18，那就凑个整来个1500，总大小就是1518，传输效率：

1500 / 1518 =  98.8%

100Mbps传输时间：

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

2Mbps传输时间：

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

总体上时间都还能接受。

故，**得出 MTU 为 1500字节 这个经验值。**

#### 3>、最佳值： ####

在 Ethernet 中，MTU 为 **1500**字节;

> 在 FDDI 中，MTU 为 4352字节;
> 
> 在 IP over ATM 中，MTU 为 9180字节。
> 
> 其实一个标准的 以太网 数据帧大小是：`1518`，头信息有 14 字节，尾部校验和 FCS 占了 4 字节

#### 4>、最小值： ####

最小值被限制在 64 = ***\*46\****(IP包大小) + 14 (以太网头) + 4 (尾部校验和 FCS)

> 为什么是 64 呢？
> 
> 这个其实和以太网帧在半双工下的碰撞有关，感兴趣的同学可以自行去搜索。

#### 5>、碎片与特大数据包： ####

> 在以太网中，数据包的大小范围是在 64—1518 字节之间，如果除去头部开销，则实际的数据大小为 46—1500 字节之间。
> 
> 一般情况下，数据包的大小都是在这个范围内，如果数据包 **小于64** 字节，称为 **碎片**；
> 
> 而如果 **大于1518** 字节，称为 **特大数据包**。
> 
> 这两种类型的数据包都是非正常的以太网数据包，它们将影响网络的正常运行。
> 
> 无论是碎片或特大数据包，都会**增加网络的负载**，导致网络故障的发生。
> 
> 所以，我们在对网络进行分析的时候，对数据包大小的判断也是不可缺少的一个环节。

#### 6>、发送小于最小值的包，会出现什么情况呢？ ####

**正常接收：**

> 在用 UDP 局域网通信时，经常发生 “Hello World” 来进行测试，
> 
> 但是 “Hello World” 并不满足最小有效数据 (46) 的要求，为什么小于 46 个字节，对方仍然可用收到呢？
> 
> 因为在 链路层 的 MAC 子层中会进行数据补齐，不足 46 个字节的用 0 补齐。

**收不到数据：**

> 但当服务器在公网，客户端在内网，发生小于 46 个字节的数据，就会出现接收端 **收不到数据**的情况。

#### 7>、应用层 TCP/UDP 发送的源数据大小限制 ####

> **小知识：**
> 
> TCP 包头中，是没有对 数据包总大小 的定义 - 数理论上**没有大小限制**。
> 
> UDP 包头中，用 **两个字节**（2*8=16bits） 来定义 数据包的总大小 -- 2^16 = **65535字节** \*\*即：*\*\*\*64k\*\*
> 
> 1、\*\*\*\*TCP\*\*\*\* 是以 **数据流** 形式传输数据，所以使用 **send** 函数理论上**没有大小限制**。
> 
> 一般数据包太长的话会进行多次拆包传输，数据包短的话会放到下一次数据传输时发送。
> 
> 2、**UDP** 协议发送时，用 **sendto** 函数**最大**能发送数据的长度为：65535- IP头(20) - UDP头(8)＝**65507字节**。
> 
> 用 sendt o函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误
> 
> 3、**UDP** 协议分成若干个包发送，会发送整个数据丢失问题
> 
> 如果数据**小于** **65507字节** ，则：按照 MTU 的值进行分包，分成若干个包，然后发送出去；
> 
> 而 接收方 IP 层就需要进行数据报的重组。当 IP 层组包发生错误，那么**包就会被丢弃**。
> 
> 接收方无法重组数据报，将导致丢弃整个 IP 数据报。

### 3、OSI 七层结构： ###

<table style="width:657px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th><strong>OSI模型</strong></th> 
   <th><strong>功能</strong></th> 
   <th><strong>主要协议</strong></th> 
   <th><strong>单位</strong></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>应用层</td> 
   <td>文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端</td> 
   <td>Telnet、FTP，HTTP(S)，SNMP，TFTP，SMTP，DNS</td> 
   <td>数据流</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>表示层</td> 
   <td>数据格式化，代码转换，数据加密</td> 
   <td>CSS、GIF、HTML、JSON、XML</td> 
   <td>数据流</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>会话层</td> 
   <td>解除或建立与别的接点的联系</td> 
   <td>FTP、SSH、TLS、HTTP(S)、SQL</td> 
   <td>数据流</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>传输层</td> 
   <td>提供端对端的接口</td> 
   <td>TCP，UDP</td> 
   <td>数据段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>网络层</td> 
   <td>为数据包选择路由</td> 
   <td>IP，ICMP，RIP，OSPF，BGP，IGMP</td> 
   <td>数据包</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>数据链路层</td> 
   <td>传输有地址的帧以及错误检测功能</td> 
   <td>MTU、SLIP，CSLIP，PPP，ARP，RARP，802.2、HDLC</td> 
   <td>帧</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>物理层</td> 
   <td>以二进制数据形式在物理媒体上传输数据</td> 
   <td>ISO2110，IEEE802，IEEE802.2，V.35，EIA/TIA-232</td> 
   <td>比特流</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![图片][824c0ad5186911d90f8f1e5e44ce9fda.jpeg]

img

> 网络中的数据传输过程：
> 
> \*\*在 \*\*传输层\*\*，切割成 \**数据段\*；*
> 
> \*\*在 \*\*网络层\*\*，打成 IP 包 \**数据包\*；*
> 
> \*\*在 \*\*数据链路层\*\*，切割成 \**数据帧\*。*
> 
> \*\*在 \*\*物理层\*\*，转变成 \**比特流\*。*

## 二、计算 udp 或 tcp 包的最佳大小： ##

![图片][dea67657f949a5ce8a4e7a9e2bd7a2ed.png]

img

从上图可知：本地 MTU 值 = 1500，那么：

> UDP 包的大小: 1500 - IP头(20) - UDP头(8) = 1472(Bytes)
> 
> TCP 包的大小: 1500 - IP头(20) - TCP头(20) = 1460 (Bytes)

## 三、MTU 对 UDP、TCP 的影响 ##

### 1、MTU 对 UDP 的影响： ###

> 一旦 UDP 携带的数据 **超过**1472（1500-20（IP首部）-8（UDP首部）），那么 UDP 数据就会在网络层被**分成多个** IP 数据报
> 
> 既：发送方 IP 层就需要将数据包分成若干片，而接收方 IP 层就需要进行数据报的重组。
> 
> 更严重的是，如果使用 UDP 协议，当 IP 层组包发生错误，那么**包就会被丢弃**。
> 
> 接收方无法重组数据报，将导致丢弃整个 IP 数据报。

UDP不保证可靠传输；但是 TCP发生组包错误时，该包会被重传，保证可靠传输。

### 2、MTU 对 TCP 的影响： ###

> TCP 的一个数据报也不可能无限大，还是受制于 MTU，TCP 单个数据报的最大消息长度，称为 MSS
> 
> TCP 在建立连接的过程中，双方会进行 MSS 协商
> 
> 最理想的情况下，MSS 的值正好是在 IP 不会被分片处理的最大长度（这个长度受限于数据链路层的 MTU）
> 
> 双方在发送 SYN 的时候会在 TCP 的头部写入字节能支持的 MSS 值
> 
> 然后双方得知对方的 MSS 值之后，选择较小的作为最终 MSS
> 
> MMS 的值就在 TCP 首部的 40 字节变长选项中（kind=2）

MTU 通过限制 MSS（单个数据报的最大消息长度） 的取值，来限制单个 TCP 包的长度

### 3、MTU 和 MSS的关系 ###

> MTU：最大传输单元，由不同的数据链路层对应物理层产生的（硬件规定），以太网的MTU＝1500
> 
> MSS：最大分节大小，为 TCP 数据包每次传输的最大数据分段大小

MSS 的取值受限于 MTU

## 四、如何测出当前网络最佳MTU值 ##

### 1、首先，我们必须明白什么才是最佳的 MTU 值。 ###

> 1）当本地 MTU 值 > 网络 MTU 值，网络会进行拆包，这样一来数据包数量增多，二来也增加了拆包组包的时间
> 
> 2）当本地 MTU 值 < 网络 MTU 值，虽然可以直接传输，但是却没有完全利用网络的性能，没有发挥出最大传输能力

因此，设置最合适的本地 MTU 值，就是要让本地 MTU 值 = 网络 MTU 值。

### 2、小知识： ###

> 如果 MTU 过大，在碰到路由器时会被拒绝转发，因为它不能处理过大的包。
> 
> 如果太小，因为协议一定要在包(或帧)上加上包头，那实际传送的数据量就会过小，这样也划不来。
> 
> 大部分操作系统会提供给用户一个默认值，该值一般对用户是比较合适的。

### 3、**怎样才能知道自己的当前网络环境的 MTU 值是多少呢？** ###

下面便来介绍测试方法。

**步骤一：**

> 打开命令提示符窗口输入以下命令（建议直接复制，以免误将小写字母 l 写为数字 1），回车。
> 
> **ping -l 1480 -f www.baidu.com**
> 
> 这条命令的意思是向 www.baidu.com（百度主页）发送一个探测请求，请求将一个不允许分割的 1480 字节的数据包发送出去。

**步骤二：**

> 若是出现传输失败，提示需要拆分数据包的情况，则说明当前网络的 MTU 值要比指定的 1480 小，因此我们就适当调小数据包的大小，再发送一条类似的命令
> 
> 若是出现传输成功，则说明当前网络的 MTU 值比 输入的 要大。于是我们需要稍微调大数值，以便求得最为精确的网络 MTU 值

**步骤三：**

> 如此这般，通过不断修正数据包的大小，我们可以最终得到当前网络的 MTU 值。

### ![392d0ce3e0d342a781d1ca14e11d6b3c.png][] ###

### 4、ping 命令使用的是 ICMP 协议 ###

**ping** 命令使用的，既不是 tcp 报文，也不是 udp 报文

它用的是 **ICMP** 协议，与 IP 协议同级，属于 **网络层**，位于 tcp、udp（传输层）的下一层。【应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层】

### 5、计算结果分析 ###

最后测试得出：最大数据传输为 1472 字节的数据包，则：

**MTU** = 1472 + 20字节 IP 首部 + 8字节 ICMP 首部 = **1500 字节**

[824c0ad5186911d90f8f1e5e44ce9fda.jpeg]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/824c0ad5186911d90f8f1e5e44ce9fda.jpeg
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