UDP/TCP 最大可传输单元细节可不少~

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（28=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：

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

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：

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