一、MTU 簡述 - 分包后數據包最大長度

1、定義

Maximum Transmission Unit（最大可傳輸單元） 的縮寫，它的單位是字節。在 *數據鏈路層* 定義

一個數據包穿過一個大的網絡，它其間會穿過多個網絡，每個網絡的 MTU 值是不同的。這個網絡中最小的 MTU 值，被稱為路徑 MTU。

假設：我們的接受/發送端都是以太網，它們的 MTU 都是 1500，我們發送的時候，數據包會以 1500 來封裝，然而，不幸的是，傳輸中有一段X.25網，它的 MTU 是 576，這會發生什么呢？

結論是顯而易見的，這個數據包會被再次分片，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”，那會發生些什么呢？

對，數據包將被丟棄，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（Ethernet）的 數據幀 在鏈路層 IP包 在網絡層 TCP或UDP包 在傳輸層 TCP或UDP中的數據（Data)在應用層

它們的 關系是 數據幀｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝

2、網絡中 MTU 值的由來：

1>、最大值：

對于 IP 數據包來講，在 IP 包頭中，以 兩個字節（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（64K）。

那么加上以太網幀頭和尾，一個以太網幀的大小就是：65535 + 14 + 4 = 65553，看起來似乎很完美，發送方也不需要拆包，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 數據包按最大值 65535字節 來算，假設我們現在的帶寬是：100Mbps，因為以太網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送一個以太網幀。

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

(65553*8)/(100*1024*1024)≈0.005(s)

在100M網絡下傳輸一幀就需要5ms，也就是說這5ms其他進程發送不了任何數據。如果是早先的電話撥號，網速只有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）數量的數據

而這里的 bit（比特，1比特等于1個位）是表示數字信號數據的最小單位。

1 字節 = 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，那么單個幀傳輸的時間，在 2Mbps 帶寬下需要：

(100*8)/(2*1024*1024)*1000≈5(ms)

時間上已經能接受了，問題在于，不管 MTU 設置為多少，以太網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 這個經驗值。

3>、最佳值：

在 Ethernet 中，MTU 為 1500字節;

在 FDDI 中，MTU 為 4352字節;

在 IP over ATM 中，MTU 為 9180字節。

其實一個標準的 以太網 數據幀大小是：1518，頭信息有 14 字節，尾部校驗和 FCS 占了 4 字節

4>、最小值：

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

為什么是 64 呢？

這個其實和以太網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>、碎片與特大數據包：

在以太網中，數據包的大小范圍是在 64—1518 字節之間，如果除去頭部開銷，則實際的數據大小為 46—1500 字節之間。

一般情況下，數據包的大小都是在這個范圍內，如果數據包 小于64 字節，稱為 碎片；

而如果 大于1518 字節，稱為 特大數據包。

這兩種類型的數據包都是非正常的以太網數據包，它們將影響網絡的正常運行。

無論是碎片或特大數據包，都會增加網絡的負載，導致網絡故障的發生。

所以，我們在對網絡進行分析的時候，對數據包大小的判斷也是不可缺少的一個環節。

6>、發送小于最小值的包，會出現什么情況呢？

正常接收：

在用 UDP 局域網通信時，經常發生 “Hello World” 來進行測試，

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

因為在 鏈路層 的 MAC 子層中會進行數據補齊，不足 46 個字節的用 0 補齊。

收不到數據：

但當服務器在公網，客戶端在內網，發生小于 46 個字節的數據，就會出現接收端 收不到數據的情況。

7>、應用層 TCP/UDP 發送的源數據大小限制

小知識：

TCP 包頭中，是沒有對 數據包總大小 的定義 - 數理論上沒有大小限制。

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

1、****TCP**** 是以 數據流 形式傳輸數據，所以使用 send 函數理論上沒有大小限制。

一般數據包太長的話會進行多次拆包傳輸，數據包短的話會放到下一次數據傳輸時發送。

2、UDP 協議發送時，用 sendto 函數最大能發送數據的長度為：65535- IP頭(20) - UDP頭(8)＝65507字節。

用 sendt o函數發送數據時，如果發送數據長度大于該值，則函數會返回錯誤

3、UDP 協議分成若干個包發送，會發送整個數據丟失問題

如果數據小于 65507字節 ，則：按照 MTU 的值進行分包，分成若干個包，然后發送出去；

而 接收方 IP 層就需要進行數據報的重組。當 IP 層組包發生錯誤，那么包就會被丟棄。

接收方無法重組數據報，將導致丟棄整個 IP 數據報。

3、OSI 七層結構：

OSI模型	功能	主要協議	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	數據流
表示層	數據格式化，代碼轉換，數據加密	CSS、GIF、HTML、JSON、XML	數據流
會話層	解除或建立與別的接點的聯系	FTP、SSH、TLS、HTTP(S)、SQL	數據流
傳輸層	提供端對端的接口	TCP，UDP	數據段
網絡層	為數據包選擇路由	IP，ICMP，RIP，OSPF，BGP，IGMP	數據包
數據鏈路層	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	以二進制數據形式在物理媒體上傳輸數據	ISO2110，IEEE802，IEEE802.2，V.35，EIA/TIA-232	比特流

img

網絡中的數據傳輸過程：

**在 **傳輸層**，切割成 *數據段*；

**在 **網絡層**，打成 IP 包 *數據包*；

**在 **數據鏈路層**，切割成 *數據幀*。

**在 **物理層**，轉變成 *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 攜帶的數據 超過1472（1500-20（IP首部）-8（UDP首部）），那么 UDP 數據就會在網絡層被分成多個 IP 數據報

既：發送方 IP 層就需要將數據包分成若干片，而接收方 IP 層就需要進行數據報的重組。

更嚴重的是，如果使用 UDP 協議，當 IP 層組包發生錯誤，那么包就會被丟棄。

接收方無法重組數據報，將導致丟棄整個 IP 數據報。

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

2、MTU 對 TCP 的影響：

TCP 的一個數據報也不可能無限大，還是受制于 MTU，TCP 單個數據報的最大消息長度，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（這個長度受限于數據鏈路層的 MTU）

雙方在發送 SYN 的時候會在 TCP 的頭部寫入字節能支持的 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 字節變長選項中（kind=2）

MTU 通過限制 MSS（單個數據報的最大消息長度） 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，由不同的數據鏈路層對應物理層產生的（硬件規定），以太網的MTU＝1500

MSS：最大分節大小，為 TCP 數據包每次傳輸的最大數據分段大小

MSS 的取值受限于 MTU

四、如何測出當前網絡最佳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 > 網絡 MTU 值，網絡會進行拆包，這樣一來數據包數量增多，二來也增加了拆包組包的時間

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

因此，設置最合適的本地 MTU 值，就是要讓本地 MTU 值 = 網絡 MTU 值。

2、小知識：

如果 MTU 過大，在碰到路由器時會被拒絕轉發，因為它不能處理過大的包。

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

大部分操作系統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絡環境的 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）發送一個探測請求，請求將一個不允許分割的 1480 字節的數據包發送出去。

步驟二：

若是出現傳輸失敗，提示需要拆分數據包的情況，則說明當前網絡的 MTU 值要比指定的 1480 小，因此我們就適當調小數據包的大小，再發送一條類似的命令

若是出現傳輸成功，則說明當前網絡的 MTU 值比 輸入的 要大。于是我們需要稍微調大數值，以便求得最為精確的網絡 MTU 值

步驟三：

如此這般，通過不斷修正數據包的大小，我們可以最終得到當前網絡的 MTU 值。

img

4、ping 命令使用的是 ICMP 協議

ping 命令使用的，既不是 tcp 報文，也不是 udp 報文

它用的是 ICMP 協議，與 IP 協議同級，屬于 網絡層，位于 tcp、udp（傳輸層）的下一層。【應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層】

5、計算結果分析

最后測試得出：最大數據傳輸為 1472 字節的數據包，則：

MTU = 1472 + 20字節 IP 首部 + 8字節 ICMP 首部 = 1500 字節

審核編輯：湯梓紅