TCP/IP协议:最大传输单元MTU 路径MTU

最大传输单元MTU

以太网和8 0 2 . 3对数据帧的长度都有一个限制,其最大值分别是1 5 0 0和1 4 9 2字节。链路层的这个特性称作M T U,最大传输单元。不同类型的网络大多数都有一个上限。
如果I P层有一个数据报要传,而且数据的长度比链路层的M T U还大,那么I P层就需要进行分片( f r a g m e n t a t i o n),把数据报分成若干片,这样每一片都小于M T U。
图2 - 5列出了一些典型的M T U值,它们摘自RFC 1191[Mogul and Deering 1990]。点到点的链路层(如S L I P和P P P)的M T U并非指的是网络媒体的物理特性。相反,它是一个逻辑限制,目的是为交互使用提供足够快的响应时间。


路径MTU

当在同一个网络上的两台主机互相进行通信时,该网络的M T U是非常重要的。但是如果
两台主机之间的通信要通过多个网络,那么每个网络的链路层就可能有不同的M T U。重要的
不是两台主机所在网络的M T U的值,重要的是两台通信主机路径中的最小M T U。它被称作路
径M T U。
两台主机之间的路径M T U不一定是个常数。它取决于当时所选择的路由。而选路不一定
是对称的(从A到B的路由可能与从B到A的路由不同),因此路径M T U在两个方向上不一定是
一致的。
RFC 1191[Mogul and Deering 1990]描述了路径M T U的发现机制,即在任何时候确定路径
M T U的方法。


MSS 是TCP选项中最经常出现,也是最早出现的选项。MSS选项占4byte。MSS是每一个TCP报文段中数据字段的最大长度,注意:只是数据部分的字段,不包括TCP的头部。TCP在三次握手中,每一方都会通告其期望收到的MSS(MSS只出现在SYN数据包中)如果一方不接受另一方的MSS值则定位默认值536byte。
MSS值太小或太大都是不合适。太小,例如MSS值只有1byte,那么为了传输这1byte数据,至少要消耗20字节IP头部+20字节TCP头部=40byte,这还不包括其二层头部所需要的开销,显然这种数据传输效率是很低的。MSS过大,导致数据包可以封装很大,那么在IP传输中分片的可能性就会增大,接受方在处理分片包所消耗的资源和处理时间都会增大,如果分片在传输中还发生了重传,那么其网络开销也会增大。因此合理的MSS是至关重要的。MSS的合理值应为保证数据包不分片的最大值。对于以太网MSS可以达到1460byte.
与MSS相似的在IP层也有一个类似的概念---MTU(Maximum Transfer Unit)下图可以清晰翻译MSS不MTU 的关系:

MTU=MSS+TCP Header+IP Header.


 我们在学习TCP/IP协议时都知道,TCP报文段如果很长的话,会在发送时发生分段,在接受时进行重组,同样IP数据报在长度超过一定值时也会发生分片,在接收端再将分片重组。

    我们先来看两个与TCP报文段分段和IP数据报分片密切相关的概念。

    MTU(最大传输单元)

    MTU前面已经说过了,是链路层中的网络对数据帧的一个限制,依然以以太网为例,MTU为1500个字节。一个IP数据报在以太网中 传输,如果它的长度大于该MTU值,就要进行分片传输,使得每片数据报的长度小于MTU。分片传输的IP数据报不一定按序到达,但IP首部中的信息能让这些数据报片按序组装。IP数据报的分片与重组是在网络层进完成的。

    MSS(最大分段大小)

    MSS是TCP里的一个概念(首部的选项字段中)。MSS是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段,TCP报文段的长度大于MSS时,要进行分段传输。TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值,每一方都有用于通告它期望接收的MSS选项(MSS选项只出现在SYN报文段中,即TCP三次握手的前两次)。MSS的值一般为MTU值减去两个首部大小(需要减去IP数据包包头的大小20Bytes和TCP数据段的包头20Bytes)所以如果用链路层以太网,MSS的值往往为1460。而Internet上标准的MTU(最小的MTU,链路层网络为x2.5时)为576,那么如果不设置,则MSS的默认值就为536个字节。很多时候,MSS的值最好取512的倍数。TCP报文段的分段与重组是在运输层完成的。

    到了这里有一个问题自然就明了了,TCP分段的原因是MSS,IP分片的原因是MTU,由于一直有MSS<=MTU,很明显,分段后的每一段TCP报文段再加上IP首部后的长度不可能超过MTU,因此也就不需要在网络层进行IP分片了。因此TCP报文段很少会发生IP分片的情况。

    再来看UDP数据报,由于UDP数据报不会自己进行分段,因此当长度超过了MTU时,会在网络层进行IP分片。同样,ICMP(在网络层中)同样会出现IP分片情况。

    总结:UDP不会分段,就由IP来分。TCP会分段,当然就不用IP来分了!

    另外,IP数据报分片后,只有第一片带有UDP首部或ICMP首部,其余的分片只有IP头部,到了端点后根据IP头部中的信息再网络层进行重组。而TCP报文段的每个分段中都有TCP首部,到了端点后根据TCP首部的信息在传输层进行重组。IP数据报分片后,只有到达目的地后才进行重组,而不是向其他网络协议,在下一站就要进行重组。

    最后一点,对IP分片的数据报来说,即使只丢失一片数据也要重新传整个数据报(既然有重传,说明运输层使用的是具有重传功能的协议,如TCP协议)。这是因为IP层本身没有超时重传机制------由更高层(比如TCP)来负责超时和重传。当来自TCP报文段的某一段(在IP数据报的某一片中)丢失后,TCP在超时后会重发整个TCP报文段,该报文段对应于一份IP数据报(可能有多个IP分片),没有办法只重传数据报中的一个数据分片。




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