MTU原理及相关问题分析

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一、MTU的定义及相关概念：

Mtu即最大传输单元，全称为Maximum Transmission Unit，是指通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位）。由于定义的模糊性，在此也介绍几个相关的名词，MRU、PMTU、MSS和JUMBO FRAME，供大家甄别。

MRU即最大接收单元，全称为Maximum Receive Unit,与MTU相对，称为最大接收单元，目前也没有权威的标准定义，但许多文章中有这个名词。一台主机或路由器的MTU与MRU可以不一致。

PMTU，全称为 path maximum transmission unit,即路径MTU，把一条IP路径上MTU的最小值称为PMTU，PMTU是个理想化的概念，但目前业界没有有效的手段来实现PMTU的发现和更新。`

MSS是OSI参考模型中四层的一个概念，即最大分段长度，全称为TCP Maximum Segment Size，指TCP每次能够传输的最大数据分段长度（以字节为单位），MSS一般比MTU小40字节。

Jumbo Frame(有些称Giant Frame)，网络上会遇到jumbo frame的概念，cisco路由器的接口中也有这个参数，超过以太网标准长度1518字节的帧称为jumbo frame。

二、MTU涉及主要原理：

1、常见网络的MTU值：

IP网络以包为单位进行信息传递，那么，一次传送多大的包合适、多大的包最高效就成为一个核心问题之一。MTU就是决定在什么样的物理网络传送多大数据包大的事实标准，不同类型网络由于物理特性、发展阶段不同，其MTU的默认值也不尽相同，以下是摘录的各类网络及其默认MTU值：

对于windows操作系统来讲，其以太网网卡MTU默认为1500，但可以通过修改工具或修改注册表进行修改，但只能改小，不能改大，即只能修改为小于或等于1500字节。

2、PMTU 发现过程：

对于一个基于网络的应用来讲，如果应用穿过网络的MTU与PMTU相等，那么应用穿过网络的效率最高，或者说，应用通过主机网卡发出的最大数据包与PMTU越接近(指小于等于PMTU)，应用穿过网络的效率越高，原因是有效的避免了分片和重组。

为了达到这个目的，一些操作系统支持自动发现路径MTU的功能，具体过程为：

路由器接口上收到一个报文长度大于本接口MTU值的报文，如果该报文被打上不分片的标记，将丢弃本报文，并且返回一个ICMP差错报文，通知报文发起者丢弃原因。报文发起者将发送比较小的报文。通过多次上述报文协商，将得到对于某一个固定路径上的最小Mtu值，这个过程叫做"Mtu Discovery"[详见RFC1191]。

了解了MTU发现的原理，举一个实例验证PMTU变化过程：

在上图所示实验网络中，由三层设备模拟PPPOE拨号，实现接入宽带IP网。三层设备上行以太网口默认MTU为1482字节。抓包结果显示如下：

将三层设备上行以太网口默认MTU改为1000字节。抓包结果显示如下：

3、"PMTU"发现存在的问题：

由于互联网上路由器或其它网络设备的配置的无法统一规范，某些运营商或网站考虑到网络安全和其它需要，有时会把ICMP报文过滤掉，此外，PMTU牵涉到主机、各类交换机、路由器、防火墙等网络设备，这些主机和网络设备没有有效的手段实现PMTU的协商和交互,这样Mtu Discovery不能正常运行，影响应用正常运行，即实质上目前没有有效的手段来发现PMTU。

互联网上的网络设备,遇到MTU发现报文或必须将IP包分片但DF设置为1时，路由器可采用以下任一种方式(从网上摘录)：

发送符合 RFC 792 中最初定义的"ICMP Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set"消息，然后丢弃该包。原始消息格式中不包含有关转发失败的链路的 IP MTU 的信息。（导致PMTU无法正常发现）
 发送符合 RFC 1191 中重新定义的"ICMP Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set"消息，然后丢弃该包。此新消息格式包含一个 MTU 字段，可指出转发失败的链路的 IP MTU。（PMTU可能会正常发现）

RFC 1191 定义了路径 MTU (PMTU) 发现，它使得源和目的 TCP 对等方能够动态地发现二者之间路径的IP MTU，从而发现该路径的 TCP MSS。一旦收到符合 RFC 1191 定义的"Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set"消息，TCP 就会将该连接的 MSS 调整为指定 IP MTU 减去 TCP 和 IP 报头的大小。这样，在该 TCP 连接上发送的后续包就不会超过最大大小，无需分段即可在该路径上传输。

直接丢弃包。直接丢弃需分段但 DF 标记设置为 1 的包的路由器称为 PMTU 黑洞路由器。

总之，PMTU的不可发现性，导致因MTU问题引起的应用系统无法正常运行情况时有发生。

4、超过MTU值的数据包分片、重组过程，：

IP包的格式如下：

IP包的分片重组牵涉到IP包头的几个重要字段，主要是标识符、标识位、偏移量，分别详述如下：

标识符（Identification）：在发送数据包前，发送主机给每个数据包一个ID值，放在16位的标识符字段中。此ID用于标识唯一的数据报或数据流。接收主机利用此ID对收到的数据报进行重组。当分片的IP数据报从源地址发送到目的地址的时候，由于网络延迟或者不同的传输路径的关系，在到达目的主机时，这些分片数据报并不总是有序的到达，而是处于一种无序状态，因此，接收主机便用此ID判断接收的这些分片数据报是否属于同一个数据流，然后再进行重组。

标志（Flags）：第一个bit称为R位，目前保留未用。第二个bit称为DF位，Don't Fragment，"不分片"位，即如果将这一比特置1 ，表示上层应用不允许分片，IP层将不对数据报进行分片。第三个bit称为MF位，More Fragment，"更多的片"。除了最后一个数据分片外，其他每个组成数据报的数据分片都要把该比特置1，表示有更多的分片。

偏移量(Framentation offset)：13位的偏移量字段用来表示分段的数据报在整个数据流中的位置，即相当于分片数据报的顺序号。发送主机对第一个数据报的偏移量置为0，而后续的分片数据报的偏移量则以网络的MTU大小赋值。偏移量对于接收方进行数据重组的时候，这是一个唯一依据。对于分片的数据段(单位：字节)必须为8的整数倍，否则IP无法表达其偏移量。

了解了数据分片的几个关键字段后，我们找一个实例说明分片过程（从网上摘录）：

在MTU为1500的以太网中，源主机如果需要通过UDP传送3000字节的数据到目的主机，这时的分段情况如下所示(假定在同一网段)：

此处需要注意的是对于分片1的报头，相对于其他两个分片的报头要多8个字节UDP协议报头的开销。因此，在计算实际传输的数据净载荷时，分片1要多减去8字节UDP报头。最后，接收主机通过包ID、标识位、偏移量值将数据重组成完整的数据。

需要注意是，有些数据包在一次分片后，由于遇到更小MTU的网络，还可能被继续分片。为数据包分片和为数据包再次分片的区别在于网关处理MF位的不同。在一个网关为原来未分片的数据包分片时，除了末尾的数据包片，它将其余所有分片上的MF位置为1，最后一片为0。然而，当网关为一个非末尾的数据包片再次分片时，它会把生成的所有子分片中的MF位全部调为1，因为所有这些子分片都不可能是整个数据包末尾的数据包。分片中标志字段的M值取决于该分片是否是原始分组的最后一片，而片偏移量也是相对于原始分组的偏移量。

三、MTU对上层应用的影响：

1、TCP、UDP等上层应用传输效率的高低与PMTU有密切联系。

对TCP来讲，其传输效率与MSS的合适大小密切相关，而MTU是决定MSS大小的唯一因素。MSS的大小会在TCP连接建立阶段进行协商，具体协商过程如下：

TCP client发出SYN报文，其中option选项填充的MSS字段一般为(MTU-IP头大小-TCP头大小)，同样TCP server收到SYN报文后，会发送SYN＋ACK报文应答，option选项填充的mss字段也为(MTU-IP头大小-TCP头大小)；协商双方会比较SYN和SYN+ACK报文中MSS字段大小，选择较小的MSS作为发送TCP分片的大小。

理论上，如果MSS与合适的MTU即PMTU（我认为合适的PMTU为路径上可不分片通过的最大MTU）匹配，TCP传输效率最高，因为免去了分片、重组等工作。但由于PMTU发现过程无法保证，导致最终发现的MTU可能并不合适路径传输，造成部分应用的分片和重组，降低了传输效率。

2、部分网络设备对特定应用的分片报文处理能力弱，造成部分应用故障。

目前，国内宽带IP网络多数用户采用PPPOE拨号方式实现业务接入。位于电信运营商内侧的BAS设备用于终结PPP连接，实现用户接入汇聚。实际应用中，部分BAS设备对VPDN等特定应用的分片、重组机制不健全，造成部分基于VPDN方式的业务速度缓慢。如：笔者曾发现过某厂商BAS设备ME60当TSU板未启用时，其于L2TP隧道的VPDN拨号应用，经常出现业务访问缓慢，甚至不通的情况，当启用TSU板后，业务恢复正常（经了解，TSU板是专门用于基于隧道或其它协议数据包分片处理功能）。某厂商设备SE800，承载了基于L2TP隧道的VPDN拨号应用后，部分应用可以使用，部分应用无法正常运行。

3、部分网络安全设备对分片的重组过程进一步影响业务应用。

原则上，当某个网络应用业务在传输过程中发生分片后，只有发送端和接收端会进行分片的重组，这已经影响到业务运行速度。当分过片的IP包经过网络监测设备、安全系统等设备时，基于安全和其它特定目的，有些设备要求完成数据包的分片和重组，会进一步延缓应用的运行速度，甚至导致部分应用无法使用。

四、MTU常见问题小结(摘录自网络)：

1、为何有些共享上网的路由器的网络设备以太网口MTU值不是1500？

有些通过共享路由器PPPOE拨号上网的路由器上连口（与ADSL调制器互联的以太网口）MTU为1492，因为PPP报文占据了8个字节，导致承载数据信息的IP报文大小变成了1492。

2、为什么在思科路由器上GRE接口的默认MTU为1476？

因为GRE会重新封装一个IP包头，以及加上GRE的4字节头部，一共是24个字节。这样总的用于应用的IP包的长度为1476。

3、为什么支持VLAN标记的接口MTU要大于1514字节？

由于VLAN的原理是在以太网的帧头部加入了4个字节的VLAN TAG信息，因此在支持802.1q标记的链路的接口上要求MTU不小于1518字节，才能保证净荷为1500的数据包顺利通过该接口。

4、MTU和各种VPN的关系有无规律性？

因VPN的实现需要对原有的IP或者是TCP/UDP数据进行封装，因此也就增加了数据包或数据帧的总长度，这样也就导致了VPN 承载的数据净荷值的减小，具体减少的数值与不同的VPN类型相关。

即：MTU=经VPN封装后数据包长度-VPN封装包头长度