一、MTU的定義及相關(guān)概念：
Mtu即最大傳輸單元，全稱為Maximum Transmission Unit，是指通信協(xié)議的某一層上面所能通過的最大數(shù)據(jù)包大小（以字節(jié)為單位）。由于定義的模糊性，在此也介紹幾個(gè)相關(guān)的名詞，MRU、PMTU、MSS和JUMBO FRAME，供大家甄別。
MRU即最大接收單元，全稱為Maximum Receive Unit,與MTU相對(duì)，稱為最大接收單元，目前也沒有權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)定義，但許多文章中有這個(gè)名詞。一臺(tái)主機(jī)或路由器的MTU與MRU可以不一致。
PMTU，全稱為 path maximum transmission unit,即路徑MTU，把一條IP路徑上MTU的最小值稱為PMTU，PMTU是個(gè)理想化的概念，但目前業(yè)界沒有有效的手段來實(shí)現(xiàn)PMTU的發(fā)現(xiàn)和更新。`
MSS是OSI參考模型中四層的一個(gè)概念，即最大分段長(zhǎng)度，全稱為TCP Maximum Segment Size，指TCP每次能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)分段長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位），MSS一般比MTU小40字節(jié)。
Jumbo Frame(有些稱Giant Frame)，網(wǎng)絡(luò)上會(huì)遇到j(luò)umbo frame的概念，cisco路由器的接口中也有這個(gè)參數(shù)，超過以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度1518字節(jié)的幀稱為jumbo frame。
二、MTU涉及主要原理：
1、常見網(wǎng)絡(luò)的MTU值：
IP網(wǎng)絡(luò)以包為單位進(jìn)行信息傳遞，那么，一次傳送多大的包合適、多大的包最高效就成為一個(gè)核心問題之一。MTU就是決定在什么樣的物理網(wǎng)絡(luò)傳送多大數(shù)據(jù)包大的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，不同類型網(wǎng)絡(luò)由于物理特性、發(fā)展階段不同，其MTU的默認(rèn)值也不盡相同，以下是摘錄的各類網(wǎng)絡(luò)及其默認(rèn)MTU值：
對(duì)于windows操作系統(tǒng)來講，其以太網(wǎng)網(wǎng)卡MTU默認(rèn)為1500，但可以通過修改工具或修改注冊(cè)表進(jìn)行修改，但只能改小，不能改大，即只能修改為小于或等于1500字節(jié)。
2、PMTU 發(fā)現(xiàn)過程：
對(duì)于一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來講，如果應(yīng)用穿過網(wǎng)絡(luò)的MTU與PMTU相等，那么應(yīng)用穿過網(wǎng)絡(luò)的效率最高，或者說，應(yīng)用通過主機(jī)網(wǎng)卡發(fā)出的最大數(shù)據(jù)包與PMTU越接近(指小于等于PMTU)，應(yīng)用穿過網(wǎng)絡(luò)的效率越高，原因是有效的避免了分片和重組。
為了達(dá)到這個(gè)目的，一些操作系統(tǒng)支持自動(dòng)發(fā)現(xiàn)路徑MTU的功能，具體過程為：
路由器接口上收到一個(gè)報(bào)文長(zhǎng)度大于本接口MTU值的報(bào)文，如果該報(bào)文被打上不分片的標(biāo)記，將丟棄本報(bào)文，并且返回一個(gè)ICMP差錯(cuò)報(bào)文，通知報(bào)文發(fā)起者丟棄原因。報(bào)文發(fā)起者將發(fā)送比較小的報(bào)文。通過多次上述報(bào)文協(xié)商，將得到對(duì)于某一個(gè)固定路徑上的最小Mtu值，這個(gè)過程叫做“Mtu Discovery”[詳見RFC1191]。
了解了MTU發(fā)現(xiàn)的原理，舉一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證PMTU變化過程：
在上圖所示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中，由三層設(shè)備模擬PPPOE撥號(hào)，實(shí)現(xiàn)接入寬帶IP網(wǎng)。三層設(shè)備上行以太網(wǎng)口默認(rèn)MTU為1482字節(jié)。抓包結(jié)果顯示如下：
將三層設(shè)備上行以太網(wǎng)口默認(rèn)MTU改為1000字節(jié)。抓包結(jié)果顯示如下：
3、“PMTU”發(fā)現(xiàn)存在的問題：
由于互聯(lián)網(wǎng)上路由器或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置的無法統(tǒng)一規(guī)范，某些運(yùn)營(yíng)商或網(wǎng)站考慮到網(wǎng)絡(luò)安全和其它需要，有時(shí)會(huì)把ICMP報(bào)文過濾掉，此外，PMTU牽涉到主機(jī)、各類交換機(jī)、路由器、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有有效的手段實(shí)現(xiàn)PMTU的協(xié)商和交互,這樣Mtu Discovery不能正常運(yùn)行，影響應(yīng)用正常運(yùn)行，即實(shí)質(zhì)上目前沒有有效的手段來發(fā)現(xiàn)PMTU。
互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,遇到MTU發(fā)現(xiàn)報(bào)文或必須將IP包分片但DF設(shè)置為1時(shí)，路由器可采用以下任一種方式(從網(wǎng)上摘錄)：
發(fā)送符合 RFC 792 中最初定義的“ICMP Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，然后丟棄該包。原始消息格式中不包含有關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)失敗的鏈路的 IP MTU 的信息。（導(dǎo)致PMTU無法正常發(fā)現(xiàn)）
發(fā)送符合 RFC 1191 中重新定義的“ICMP Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，然后丟棄該包。此新消息格式包含一個(gè) MTU 字段，可指出轉(zhuǎn)發(fā)失敗的鏈路的 IP MTU。（PMTU可能會(huì)正常發(fā)現(xiàn)）
RFC 1191 定義了路徑 MTU (PMTU) 發(fā)現(xiàn)，它使得源和目的 TCP 對(duì)等方能夠動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)二者之間路徑的IP MTU，從而發(fā)現(xiàn)該路徑的 TCP MSS。一旦收到符合 RFC 1191 定義的“Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，TCP 就會(huì)將該連接的 MSS 調(diào)整為指定 IP MTU 減去 TCP 和 IP 報(bào)頭的大小。這樣，在該 TCP 連接上發(fā)送的后續(xù)包就不會(huì)超過最大大小，無需分段即可在該路徑上傳輸。
直接丟棄包。直接丟棄需分段但 DF 標(biāo)記設(shè)置為 1 的包的路由器稱為 PMTU 黑洞路由器。
總之，PMTU的不可發(fā)現(xiàn)性，導(dǎo)致因MTU問題引起的應(yīng)用系統(tǒng)無法正常運(yùn)行情況時(shí)有發(fā)生。
4、超過MTU值的數(shù)據(jù)包分片、重組過程，：
IP包的格式如下：
IP包的分片重組牽涉到IP包頭的幾個(gè)重要字段，主要是標(biāo)識(shí)符、標(biāo)識(shí)位、偏移量，分別詳述如下：
標(biāo)識(shí)符（Identification）：在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，發(fā)送主機(jī)給每個(gè)數(shù)據(jù)包一個(gè)ID值，放在16位的標(biāo)識(shí)符字段中。此ID用于標(biāo)識(shí)唯一的數(shù)據(jù)報(bào)或數(shù)據(jù)流。接收主機(jī)利用此ID對(duì)收到的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重組。當(dāng)分片的IP數(shù)據(jù)報(bào)從源地址發(fā)送到目的地址的時(shí)候，由于網(wǎng)絡(luò)延遲或者不同的傳輸路徑的關(guān)系，在到達(dá)目的主機(jī)時(shí)，這些分片數(shù)據(jù)報(bào)并不總是有序的到達(dá)，而是處于一種無序狀態(tài)，因此，接收主機(jī)便用此ID判斷接收的這些分片數(shù)據(jù)報(bào)是否屬于同一個(gè)數(shù)據(jù)流，然后再進(jìn)行重組。
標(biāo)志（Flags）：第一個(gè)bit稱為R位，目前保留未用。第二個(gè)bit稱為DF位，Don't Fragment，“不分片”位，即如果將這一比特置1 ，表示上層應(yīng)用不允許分片，IP層將不對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片。第三個(gè)bit稱為MF位，More Fragment，“更多的片”。除了最后一個(gè)數(shù)據(jù)分片外，其他每個(gè)組成數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)分片都要把該比特置1，表示有更多的分片。
偏移量(Framentation offset)：13位的偏移量字段用來表示分段的數(shù)據(jù)報(bào)在整個(gè)數(shù)據(jù)流中的位置，即相當(dāng)于分片數(shù)據(jù)報(bào)的順序號(hào)。發(fā)送主機(jī)對(duì)第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的偏移量置為0，而后續(xù)的分片數(shù)據(jù)報(bào)的偏移量則以網(wǎng)絡(luò)的MTU大小賦值。偏移量對(duì)于接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)重組的時(shí)候，這是一個(gè)唯一依據(jù)。對(duì)于分片的數(shù)據(jù)段(單位：字節(jié))必須為8的整數(shù)倍，否則IP無法表達(dá)其偏移量。
了解了數(shù)據(jù)分片的幾個(gè)關(guān)鍵字段后，我們找一個(gè)實(shí)例說明分片過程（從網(wǎng)上摘錄）：
在MTU為1500的以太網(wǎng)中，源主機(jī)如果需要通過UDP傳送3000字節(jié)的數(shù)據(jù)到目的主機(jī)，這時(shí)的分段情況如下所示(假定在同一網(wǎng)段)：
此處需要注意的是對(duì)于分片1的報(bào)頭，相對(duì)于其他兩個(gè)分片的報(bào)頭要多8個(gè)字節(jié)UDP協(xié)議報(bào)頭的開銷。因此，在計(jì)算實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)凈載荷時(shí)，分片1要多減去8字節(jié)UDP報(bào)頭。最后，接收主機(jī)通過包ID、標(biāo)識(shí)位、偏移量值將數(shù)據(jù)重組成完整的數(shù)據(jù)。
需要注意是，有些數(shù)據(jù)包在一次分片后，由于遇到更小MTU的網(wǎng)絡(luò)，還可能被繼續(xù)分片。為數(shù)據(jù)包分片和為數(shù)據(jù)包再次分片的區(qū)別在于網(wǎng)關(guān)處理MF位的不同。在一個(gè)網(wǎng)關(guān)為原來未分片的數(shù)據(jù)包分片時(shí)，除了末尾的數(shù)據(jù)包片，它將其余所有分片上的MF位置為1，最后一片為0。然而，當(dāng)網(wǎng)關(guān)為一個(gè)非末尾的數(shù)據(jù)包片再次分片時(shí)，它會(huì)把生成的所有子分片中的MF位全部調(diào)為1，因?yàn)樗羞@些子分片都不可能是整個(gè)數(shù)據(jù)包末尾的數(shù)據(jù)包。分片中標(biāo)志字段的M值取決于該分片是否是原始分組的最后一片，而片偏移量也是相對(duì)于原始分組的偏移量。
三、MTU對(duì)上層應(yīng)用的影響：
1、TCP、UDP等上層應(yīng)用傳輸效率的高低與PMTU有密切聯(lián)系。
對(duì)TCP來講，其傳輸效率與MSS的合適大小密切相關(guān)，而MTU是決定MSS大小的唯一因素。MSS的大小會(huì)在TCP連接建立階段進(jìn)行協(xié)商，具體協(xié)商過程如下：
TCP client發(fā)出SYN報(bào)文，其中option選項(xiàng)填充的MSS字段一般為(MTU-IP頭大小-TCP頭大小)，同樣TCP server收到SYN報(bào)文后，會(huì)發(fā)送SYN＋ACK報(bào)文應(yīng)答，option選項(xiàng)填充的mss字段也為(MTU-IP頭大小-TCP頭大小)；協(xié)商雙方會(huì)比較SYN和SYN+ACK報(bào)文中MSS字段大小，選擇較小的MSS作為發(fā)送TCP分片的大小。
理論上，如果MSS與合適的MTU即PMTU（我認(rèn)為合適的PMTU為路徑上可不分片通過的最大MTU）匹配，TCP傳輸效率最高，因?yàn)槊馊チ朔制⒅亟M等工作。但由于PMTU發(fā)現(xiàn)過程無法保證，導(dǎo)致最終發(fā)現(xiàn)的MTU可能并不合適路徑傳輸，造成部分應(yīng)用的分片和重組，降低了傳輸效率。
2、部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)特定應(yīng)用的分片報(bào)文處理能力弱，造成部分應(yīng)用故障。
目前，國(guó)內(nèi)寬帶IP網(wǎng)絡(luò)多數(shù)用戶采用PPPOE撥號(hào)方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入。位于電信運(yùn)營(yíng)商內(nèi)側(cè)的BAS設(shè)備用于終結(jié)PPP連接，實(shí)現(xiàn)用戶接入?yún)R聚。實(shí)際應(yīng)用中，部分BAS設(shè)備對(duì)VPDN等特定應(yīng)用的分片、重組機(jī)制不健全，造成部分基于VPDN方式的業(yè)務(wù)速度緩慢。如：筆者曾發(fā)現(xiàn)過某廠商BAS設(shè)備ME60當(dāng)TSU板未啟用時(shí)，其于L2TP隧道的VPDN撥號(hào)應(yīng)用，經(jīng)常出現(xiàn)業(yè)務(wù)訪問緩慢，甚至不通的情況，當(dāng)啟用TSU板后，業(yè)務(wù)恢復(fù)正常（經(jīng)了解，TSU板是專門用于基于隧道或其它協(xié)議數(shù)據(jù)包分片處理功能）。某廠商設(shè)備SE800，承載了基于L2TP隧道的VPDN撥號(hào)應(yīng)用后，部分應(yīng)用可以使用，部分應(yīng)用無法正常運(yùn)行。
3、部分網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備對(duì)分片的重組過程進(jìn)一步影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。
原則上，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)在傳輸過程中發(fā)生分片后，只有發(fā)送端和接收端會(huì)進(jìn)行分片的重組，這已經(jīng)影響到業(yè)務(wù)運(yùn)行速度。當(dāng)分過片的IP包經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)設(shè)備、安全系統(tǒng)等設(shè)備時(shí)，基于安全和其它特定目的，有些設(shè)備要求完成數(shù)據(jù)包的分片和重組，會(huì)進(jìn)一步延緩應(yīng)用的運(yùn)行速度，甚至導(dǎo)致部分應(yīng)用無法使用。
四、MTU常見問題小結(jié)(摘錄自網(wǎng)絡(luò))：
1、為何有些共享上網(wǎng)的路由器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以太網(wǎng)口MTU值不是1500？
有些通過共享路由器PPPOE撥號(hào)上網(wǎng)的路由器上連口（與ADSL調(diào)制器互聯(lián)的以太網(wǎng)口）MTU為1492，因?yàn)镻PP報(bào)文占據(jù)了8個(gè)字節(jié)，導(dǎo)致承載數(shù)據(jù)信息的IP報(bào)文大小變成了1492。
2、為什么在思科路由器上GRE接口的默認(rèn)MTU為1476？
因?yàn)镚RE會(huì)重新封裝一個(gè)IP包頭，以及加上GRE的4字節(jié)頭部，一共是24個(gè)字節(jié)。這樣總的用于應(yīng)用的IP包的長(zhǎng)度為1476。
3、為什么支持VLAN標(biāo)記的接口MTU要大于1514字節(jié)？
由于VLAN的原理是在以太網(wǎng)的幀頭部加入了4個(gè)字節(jié)的VLAN TAG信息，因此在支持802.1q標(biāo)記的鏈路的接口上要求MTU不小于1518字節(jié)，才能保證凈荷為1500的數(shù)據(jù)包順利通過該接口。
4、MTU和各種VPN的關(guān)系有無規(guī)律性？
因VPN的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)原有的IP或者是TCP/UDP數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，因此也就增加了數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度，這樣也就導(dǎo)致了VPN 承載的數(shù)據(jù)凈荷值的減小，具體減少的數(shù)值與不同的VPN類型相關(guān)。
即：MTU=經(jīng)VPN封裝后數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度-VPN封裝包頭長(zhǎng)度
5、對(duì)于因MTU問題引起的應(yīng)用系統(tǒng)故障現(xiàn)象有哪些？處理思路是什么？
因MTU引的網(wǎng)絡(luò)問題表現(xiàn)各種各樣，如：有些游戲，經(jīng)常卡機(jī)。有的網(wǎng)站，部分網(wǎng)頁可以打開，部分網(wǎng)頁打不開。總的來講，如果網(wǎng)絡(luò)不丟包，而網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)快時(shí)慢，或部分應(yīng)用無法使用，很大程度上可以定位為MTU問題。
對(duì)于MTU引起的問題，處理思路為：要么增加網(wǎng)絡(luò)中最細(xì)管道的MTU值，要么減少終端應(yīng)用發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)包大小。對(duì)于終端的MTU，會(huì)有各種各樣的工具或方法進(jìn)行修改。
