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UDP/TCP 包的大小限制是多少?MTU值大小设置多少?

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发表于 2022-11-11 08:30:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 sunsili 于 2022-11-11 08:33 编辑 + W& ^0 K! ]9 ^6 d8 n: V3 J0 _

' ~9 }  h* t1 M" u. OUDP/TCP 包的大小限制是多少?MTU值大小设置多少?% ?$ R8 _! r* _" u% W# z/ Q: U' U

1 ?9 [% t. m" H; e一、MTU 简述 - 分包后数据包最大长度
1、定义
- R; F6 \8 G1 p1 l

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}}}

7 w& x' e6 p9 ~# l: y% p6 B
2、网络中 MTU 值的由来:1>、最大值:
! a0 F8 c* j& \$ X2 J* z2 E) _

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


1 o* y. c" H: x3 b, x) k2>、最佳值的推导:
4 i$ Z9 J3 ?& n$ s& b! Q3 Z) R6 [! g

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)3 f: T+ I3 h0 T+ L% [; {8 v2 t

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)4 t: \) u0 m; K/ P3 w' C, X) E' P

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)
" H! {3 K: h9 s7 @; S

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%9 @. t$ _1 C2 m& A; r. P

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%5 l! ^6 z% r7 y4 M

100Mbps传输时间:

( 1518 * 8 ) / ( 100 * 1024 * 1024 ) * 1000 = 0.11(ms)
; f) O- p1 ]1 T9 D7 r- g

2Mbps传输时间:

( 1518 * 8 ) / ( 2 * 1024 * 1024 ) * 1000 = 5.79(ms)
" ^+ l+ l! X' {$ B0 V6 B

总体上时间都还能接受。

故,得出 MTU 为 1500字节 这个经验值。

" V* N. `8 C. N8 V: Q2 s- d3 X% r
3>、最佳值:! Y" |$ I. g+ @# |+ c

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


: g2 X- k5 ]# `2 L  @+ C4>、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。

  |" T, y: R# C% C5 e* p+ m4 z  X
5>、碎片与特大数据包:
) B" s! J, Z9 B5 d: j0 J2 ]

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。


! r  }) ?0 E7 Q% Q1 T
6>、发送小于最小值的包,会出现什么情况呢?
) e/ r5 G3 g# i3 y+ a& e* t

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。

4 x7 {; r4 S* j3 N3 G+ h
7>、应用层 TCP/UDP 发送的源数据大小限制
( F* k" y4 s1 |

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。


5 e" G  B" O! d$ }- P6 K
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
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
640?wx_fmt=gif.jpg 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*。


& B2 r- d8 P$ g0 s  |二、计算 udp 或 tcp 包的最佳大小:
- D; ^5 ~4 d4 `2 H: C6 h) h! {* V
640?wx_fmt=png.jpg 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)

& F( r' y- f1 U6 m  Q& a- k
三、MTU 对 UDP、TCP 的影响1、MTU 对 UDP 的影响:

2 m+ t( v0 D4 Y, i' k+ Y* g9 U

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。

7 f; M) y) o" a
2、MTU 对 TCP 的影响:

  ?5 h, L$ \6 S% i) P% g5 e/ z

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


4 R& t% G- h( V3、MTU 和 MSS的关系
' A% {1 ~1 ?9 x) {

MTU:最大传输单元,由不同的数据链路层对应物理层产生的(硬件规定),以太网的MTU=1500

MSS:最大分节大小,为 TCP 数据包每次传输的最大数据分段大小

MSS 的取值受限于 MTU

; U7 k6 j  [- R5 v( w3 G3 Y
四、如何测出当前网络最佳MTU值1、首先,我们必须明白什么才是最佳的 MTU 值。8 {4 m+ @. f. E

1)当本地 MTU 值 > 网络 MTU 值,网络会进行拆包,这样一来数据包数量增多,二来也增加了拆包组包的时间

2)当本地 MTU 值 < 网络 MTU 值,虽然可以直接传输,但是却没有完全利用网络的性能,没有发挥出最大传输能力

因此,设置最合适的本地 MTU 值,就是要让本地 MTU 值 = 网络 MTU 值。

- S2 P6 l$ k7 G4 L4 Q+ {
2、小知识:

) K) r8 \8 j* E1 N2 E  n2 S

如果 MTU 过大,在碰到路由器时会被拒绝转发,因为它不能处理过大的包。

如果太小,因为协议一定要在包(或帧)上加上包头,那实际传送的数据量就会过小,这样也划不来。

大部分操作系统会提供给用户一个默认值,该值一般对用户是比较合适的。


& c0 v' o9 ]7 Y8 y+ p
3、怎样才能知道自己的当前网络环境的 MTU 值是多少呢?

下面便来介绍测试方法。

步骤一:

打开命令提示符窗口输入以下命令(建议直接复制,以免误将小写字母 l 写为数字 1),回车。

ping -l 1480 -f www.baidu.com

这条命令的意思是向 www.baidu.com(百度主页)发送一个探测请求,请求将一个不允许分割的 1480 字节的数据包发送出去。

步骤二:

若是出现传输失败,提示需要拆分数据包的情况,则说明当前网络的 MTU 值要比指定的 1480 小,因此我们就适当调小数据包的大小,再发送一条类似的命令

若是出现传输成功,则说明当前网络的 MTU 值比 输入的 要大。于是我们需要稍微调大数值,以便求得最为精确的网络 MTU 值

步骤三:

如此这般,通过不断修正数据包的大小,我们可以最终得到当前网络的 MTU 值。

640?wx_fmt=png.jpg % M) y3 M0 B& O/ I$ z; }% Z

, n  x4 ^1 Z# F4、ping 命令使用的是 ICMP 协议
1 K4 Z. l  c1 A7 I: Z. I6 R

ping 命令使用的,既不是 tcp 报文,也不是 udp 报文

它用的是 ICMP 协议,与 IP 协议同级,属于 网络层,位于 tcp、udp(传输层)的下一层。【应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层】

# G  k2 C* t" |5 t
5、计算结果分析5 M: D- A3 x' ]- i$ V+ {3 @3 j6 C

最后测试得出:最大数据传输为 1472 字节的数据包,则:

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


2 ^9 J6 W3 U* P  y# V: x! f! [# a
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