网络通信-最大传输单元-MTU

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文章目录

MTU 引用
MTU 介绍
- 定义
- MTU 与 VLAN Tag
- VLAN Tag 处理方式
IP分片
可靠传输
MTU 之 PMTUD
- PMTUD介绍
- IP头的DF分片位
- - DF = 0 可以分片
  - DF = 1 不可以分片
注意事项

MTU 引用

以太网最初对报文长度没有限制，网络层最大可以接收65535个字节，但是以太网对于长报文无法可靠地传输，而且丢失后重传也会占用大量的网络资源，而将报文限制在一定的长度，以太网可以将报文大概率传输到目的地，于是就有了MTU

MTU 介绍

定义

Maximum Transmission Unit，即最大传输单元，以太网的数据链路层对网络层数据包的长度会有一个限制，其最大值默认是1500字节，链路层的这个特性称为MTU，由硬件网卡设置，是 数据链路层对网络层 的硬性限制。
MTU表示网络层必须将发给网卡API的包 <= 1500byte，否则调用失败， 这个1500字节数据长度是针对网络层的，不包含链路层的头部和尾部 。

MTU 与 VLAN Tag

如果有的以太网网卡配置了VLAN Tag ，通过此网卡的数据帧会携带VLAN Tag，VLAN Tag要算在链路层的Payload里， MTU = 1500里包含802.1Q的头部VLAN Tag （如下图）

当网卡配置VLAN Tag时， VLAN Tag + Data <= MTU ，有时VLAN Tag不只有一个，可能是双标签，那这个VLAN Tag就是8个字节。这时候的MTU如果还是1500，链路层的Payload就不可能是1500了

VLAN Tag 处理方式

可以把添加802.1Q的接口设置MTU=1504或1508（网卡设置，硬件操作）

IP分片

既然链路层的Payload有MTU限制，就意味着 网络层下发到链路层的数据不能超过MTU，如果超过了MTU，就需要在网络层分片 ，切成<=MTU的IP数据包

网络层如果发现链路层的MTU小于IP包的大小（网络层可以调用函数获取链路层信息），也并不会立刻开始分片，还需要看IP包的是否允许分片位DF(Don’t Fragment)（在下方内容PMTUD处详述），如果允许分片，就会 分成多个ID一样的IP包 。

可靠传输

对于UDP包，如果MTU = 1500，那么udp Payload最大值是多少，才可以不用分片？

MTU(1500) = IPHeader(20) + UDPHeader(8) + Payload
Payload = 1500 -20 - 8 = 1472

如果UDP包的Data <= 1472个字节，UDP包(UDPHeader+Data)在网络层不用分片，直接封装上IPHeader发往链路层，如果UDP包的Data > 1472，那么UDP包（UDPHeader + Data）需要在网络层分片 ，如何分片？

网络层并不会在每个分片里复制一次UDP头，它是把完整的UDP包切开，加上IP头发送出去，除了第一个分片有UDP头，后面的分片都不包含UDP头

目的主机的网络层接收到多个UDP分片包后，网络层必须重组才能交给上层，为什么？

因为多个分片包只有第一个是有UDP头的，它可以根据UDP头里的端口号通知相应的应用取走，但是后面的分片包由于没有UDP头，传输层无法把分片包交给正确的应用程序。所以UDP分片包必须在 网络层重组成一个完整的UDP包，交给传输层处理 （IP分片会分成多个ID一样的IP包，根据ID重组）。

不可靠传输

UDP如果某些分片包没有被目的主机的网络层接收到，UDP包重组失败，接收方会丢弃整个数据包，这是UDP不可靠传输的一个表现。
对于UDP来说，一般选择576个字节通信

可靠传输

TCP包重组失败，该包会被重传，保证可靠传输

MTU 之 PMTUD

PMTUD介绍

PMTUD：Path MTU Discovery

收发双方在TCP协议通信时，根据取较小MSS的原则，理论上避免了发送方在网络层分片，接收方在网卡由于超过MTU而无法接收的情况 。
但是，以太网通信不是只有两台主机，它们通信的途中还有路由器和交换机，路由器和交换机都有自己的MTU，主机的网络层可以分片，路由器的网络层也可以分片。
就像木桶理论一样，木桶能装多少水取决于最短的那块， 网络通信的路径上决定IP包大小的，取决于源主机、目的主机、路由器中MTU最小的那个 ，这就是PMTUD。

路由器和交换机都有自己的MTU，如果数据帧超过了它们的MTU，在从出口发出去时，需要进行分片， 网络层能否分片IP包，需要根据IP头的DF分片位决定 。

IP头的DF分片位

DF = 0，表示可以分片
DF = 1，表示不可以分片

DF = 0 可以分片

下图设定 ，设定左右两台主机在TCP握手阶段，确定了MSS = 1480 - 20 - 20 = 1440，设定发送的IP包就是1440 + 20 + 20 = 1480，如果是直连，这样的IP包在发出去的时候不会分片，而接收端也可以接收到。

但是当IP包到达路由器时，需要从另一个接口发出，而接口MTU为1450，必须分片才能发送，这时候 路由器就会检查IP包的DF位，以确定这个IP包是否支持分片 。

发现DF位是0，表示可以分片，就把这个IP包分成两份，1450和30，由于第一份1450是有IP头的，可以直接下发到链路层发出，而第二份30是没有IP头的，需要加上IP头20个字节，形成一份新的IP包，最终大小是50个字节，同样下发到链路层发出

DF = 1 不可以分片

如下图，与上面DF = 0的情况不同的是，路由器发现IP包需要分片，然后查看IP包的DF位，发现值为1，显示不能分片，此时路由器只能丢弃此IP包，同时给源主机回复一个ICMP目的不可达的消息，Type = 3，code = 4。

上图中code = 4的含义

同时，在ICMP消息里还会携带路由器的MTU的大小，告知源主机这个路由器的MTU是多少，这样源主机就可以继续调整自己的MSS值 ，如果有多个路由器，多个路由器都会这样操作，最终确定一个这条路径上的最小MTU，这就是PMTUD。

另外，ICMP目的不可达消息，还会把丢弃的IP包的各层报头也放在里面（如下图）

注意事项

路由器的MTU只针对网络通信数据出口，接收数据不受限制
PMTUD只有TCP支持，UDP并不支持

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