MTU与IP分片 | 江湖义气

发布日期: 2022-06-17

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MTU的作用

Maximum Transmission Unit（MTU）：最大传输单元

一个标准的以太网数据帧最大为1518，其中源MAC 6字节，目的MAC 6个字节，Type 2个字节，FCS 4个字节（前导码不算在内，在物理层就已经去掉了），
6+6+2+4=18个字节，1518-18=1500，这1500正好是是留给上层协议传输的大小，也就是我们说的数据帧的大小是1500个字节，包括IP头部以及上层协议与数据整体在内，也就是说在二层以太网中，实际能传输的数据是1500个字节

为什么宽带拨号需要把MTU值改成1492或者更小点？

因为宽带拨号使用的协议是PPPoE，它占用8个字节，并且是封装在以太网中的

比如访问者发送了一个1500字节的数据包给视频服务器，但是由于家用路由器采用的是PPPoE，这就在原来1500的字节上多出来了8个字节，超过了标准的MTU值1500字节，所以这个时候家用路由器会将这个数据包进行分片

IP分片带来的问题

传输效率降低：分片会降低传输效率（这个待会我们用简单的实验可以看到）
增加设备的压力：原本一个数据包大小正好在1500字节的范围内，直接就发送了，如果超过了1500个字节，就需要涉及到分片，如果这种数据包一多，对应的设备压力就会增大，占用设备的资源。
延迟加大：分片另外一个问题就是当同一个数据包的多个分片抵达目的地后，目的终端需要将数据包重组排列后才能够去读取里面的内容。好比一个大的物件被拆分成多个小的物件发送出去，接收后，需要进行重新组装，更糟糕的是万一某一个组件晚到，那么其他到了的组件就得等待；在IP分片重组中也是这样的，所以会导致延迟加大。
丢包：更严重的是，在复杂的网络环境中，万一某一个分片丢失了，那其余接收到的数据就没任何意义了，组不成一个完整的数据包，从而被丢弃。
某些应用访问失效：比如上面的网页打开失败或者很慢就是因为分片造成的，有的服务器有保护措施，拒绝接收分片的数据包

为什么MTU是1500呢，明明IP字段的总长度是65535？

IP头部里面有一个总长度，最大值是65535，表示IP协议是能够承载这么大数据包的，但是由于以太网的数据部分最大为1500，所以你在很多书籍或者称呼里面会看到IP的数据包最大是1500个字节，多了就会被分片，那为什么以太网要把数据部分定在1500，不能跟IP头部一样用65535吗？那效率不是高很多

假设以太网没有这个限制，IP协议最大可以承载65535字节，加上以太网头部和尾部，是65535+14+4=65553字节，如果早期在10Mbps的以太网上传输，会占用共享链路50ms,这样严重影响了其他主机的通信，如果有延迟敏感的应用，那肯定是无法接收的，另外如果线路的质量差，大包引起的丢包几率也会大很多。（50ms的计算方法：（655538）/（101024*1024）≈0.05（s）

竟然大的不行，换成小的呢？，比如MTU等于100，就拿上面学过的ICMP的Ping来说，如果以太网长度为100，ICMP实际数据= 100-ICMP头部（8个字节）-IP头部（20个字节）-以太网头部（18个字节）=100-8-20-18=54，你会发现有效率实在太低了，有效率=54/100=54%

最终得到一个通过层层计算，发现如果以太网长度为1518的时候，有效传输效率=1472/1518=96.9%，这个值既能保证有一个较大的帧长度，又保证了有效传效率。更大的或者更小的就会出现上述的问题，这个也是一个折中的长度：1518字节，对应上层IP 就是1500字节（1518-18），这个就是最大传输单元MTU的由来

以太网最小字节为什么要求是64呢？

最早的以太网是工作在共享网络下的，任何一个终端节点发送数据之前，都需要侦听线路上是否有数据在传，如果有，需要等待，如果发现线路可用，才可以发送。假设A与B终端同时传输1个bit给对方的话，会产生冲突，其中一个就需要等待一端发送完成后在过一个时间间隙才能发送，这个时间间隙是57.6μs

在10Mbps的以太网中，在57.6μs时间内，能够传输576个bit，以太网中要求数据帧最小长度为576个bit，原因是这个长度正好能够让最极端的冲突环境都能够被检测到（CSMA/CD），而576个bit换算成字节是72，去掉8个字节的前导符，正好是64个字节，这也是以太网帧数据部分要求的最小长46的原因（46+18），不够46的会自动填充。

能否改善MTU只能为1500的问题呢？

互联网中设备非常多，并不是所有设备都能够去支持巨型帧的特性，很多地方还使用的非常老的设备在运行，如果要支持势必是大面积更换，成本会非常大，那如果一个数据包9000大小经过一个MTU是标准1500的设备，那势必就会造成分片了，还有许多比如超长帧会造成延时、CRC错误变多等问题，导致至今无法大面积普及使用的主要原因。