UDP/TCP包的大小限制是多少？

一、MTU 簡(jiǎn)述 - 分包后數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度

1、定義

Maximum Transmission Unit（最大可傳輸單元） 的縮寫，它的單位是字節(jié)。在 *數(shù)據(jù)鏈路層* 定義

一個(gè)數(shù)據(jù)包穿過(guò)一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)，它其間會(huì)穿過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 MTU 值是不同的。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最小的 MTU 值，被稱為路徑 MTU。

假設(shè)：我們的接受/發(fā)送端都是以太網(wǎng)，它們的 MTU 都是 1500，我們發(fā)送的時(shí)候，數(shù)據(jù)包會(huì)以 1500 來(lái)封裝，然而，不幸的是，傳輸中有一段X.25網(wǎng)，它的 MTU 是 576，這會(huì)發(fā)生什么呢？

結(jié)論是顯而易見的，這個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)被再次分片，更重要的是，這種情況下，如果 IP 包被設(shè)置了“不允許分片標(biāo)志”，那會(huì)發(fā)生些什么呢？

對(duì)，數(shù)據(jù)包將被丟棄，然事收到一份ICMP不可達(dá)差錯(cuò)，告訴你，需要分片！

很顯然，MTU 值設(shè)置得過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)在一定程度上影響我們上網(wǎng)的速度。

在應(yīng)用程序中我們用到的 Data 的長(zhǎng)度最大是多少，直接取決于底層的限制，即：MTU

以太網(wǎng)（Ethernet）的 數(shù)據(jù)幀 在鏈路層 IP包 在網(wǎng)絡(luò)層 TCP或UDP包 在傳輸層 TCP或UDP中的數(shù)據(jù)（Data)在應(yīng)用層

它們的 關(guān)系是 數(shù)據(jù)幀｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝

2、網(wǎng)絡(luò)中 MTU 值的由來(lái)：

1>、最大值：

對(duì)于 IP 數(shù)據(jù)包來(lái)講，在 IP 包頭中，以 兩個(gè)字節(jié)（16 位）來(lái)描述 IP 包的長(zhǎng)度，也就是說(shuō)，一個(gè) IP 包，最長(zhǎng)可能是 65535字節(jié)（64K）。

那么加上以太網(wǎng)幀頭和尾，一個(gè)以太網(wǎng)幀的大小就是：65535 + 14 + 4 = 65553，看起來(lái)似乎很完美，發(fā)送方也不需要拆包，接收方也不需要重組

但，使用最大值真的可以嗎？我們往下看

2>、最佳值的推導(dǎo)：

a>、按最大值來(lái)推算：

IP 數(shù)據(jù)包按最大值 65535字節(jié) 來(lái)算，假設(shè)我們現(xiàn)在的帶寬是：100Mbps，因?yàn)橐蕴W(wǎng)幀是傳輸中的最小可識(shí)別單元，再往下就是0101所對(duì)應(yīng)的光信號(hào)了，所以我們的一條帶寬同時(shí)只能發(fā)送一個(gè)以太網(wǎng)幀。

如果同時(shí)發(fā)送多個(gè)，那么對(duì)端就無(wú)法重組成一個(gè)以太網(wǎng)幀了，在100Mbps的帶寬中（假設(shè)中間沒有損耗），我們計(jì)算一下發(fā)送這一幀需要的時(shí)間：

(65553*8)/(100*1024*1024)≈0.005(s)

在100M網(wǎng)絡(luò)下傳輸一幀就需要5ms，也就是說(shuō)這5ms其他進(jìn)程發(fā)送不了任何數(shù)據(jù)。如果是早先的電話撥號(hào)，網(wǎng)速只有2M的情況下：

(65553*8)/(2*1024*1024)≈0.100(s)

100ms，這簡(jiǎn)直是噩夢(mèng)。其實(shí)這就像紅綠燈，時(shí)間要設(shè)置合理，交替通行，不然同一個(gè)方向如果一直是綠燈，那么另一個(gè)方向就要堵成翔了。

小知識(shí)：

Mbps，其全稱為 Million bits per second，意為每秒傳輸百萬(wàn)位（比特）數(shù)量的數(shù)據(jù)

而這里的 bit（比特，1比特等于1個(gè)位）是表示數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的最小單位。

1 字節(jié) = 8 比特，所以有 65553 * 8

b>、既然大了不行，那設(shè)置小一點(diǎn)可以么？

假設(shè) MTU 值設(shè)置為100，那么單個(gè)幀傳輸?shù)臅r(shí)間，在 2Mbps 帶寬下需要：

(100*8)/(2*1024*1024)*1000≈5(ms)

時(shí)間上已經(jīng)能接受了，問(wèn)題在于，不管 MTU 設(shè)置為多少，以太網(wǎng)頭幀尾大小是固定的，都是14 + 4，所以在 MTU 為 100 的時(shí)候，一個(gè)以太網(wǎng)幀的傳輸效率為：

(100-14-4)/100=82%

寫成公式就是：( T - 14 - 4 ) / T，當(dāng)T趨于無(wú)窮大的時(shí)候，效率接近100%，也就是MTU的值越大，傳輸效率最高，但是基于上一點(diǎn)傳輸時(shí)間的問(wèn)題，來(lái)個(gè)折中的選擇吧，既然頭加尾是18，那就湊個(gè)整來(lái)個(gè)1500，總大小就是1518，傳輸效率：

1500/1518=98.8%

100Mbps傳輸時(shí)間：

(1518*8)/(100*1024*1024)*1000=0.11(ms)

2Mbps傳輸時(shí)間：

(1518*8)/(2*1024*1024)*1000=5.79(ms)

總體上時(shí)間都還能接受。

故，得出 MTU 為 1500字節(jié) 這個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。

3>、最佳值：

在 Ethernet 中，MTU 為 1500字節(jié);

在 FDDI 中，MTU 為 4352字節(jié);

在 IP over ATM 中，MTU 為 9180字節(jié)。

其實(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)幀大小是：1518，頭信息有 14 字節(jié)，尾部校驗(yàn)和 FCS 占了 4 字節(jié)

4>、最小值：

最小值被限制在 64 = *46*(IP包大小) + 14 (以太網(wǎng)頭) + 4 (尾部校驗(yàn)和 FCS)

為什么是 64 呢？

這個(gè)其實(shí)和以太網(wǎng)幀在半雙工下的碰撞有關(guān)，感興趣的同學(xué)可以自行去搜索。

5>、碎片與特大數(shù)據(jù)包：

在以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包的大小范圍是在 64—1518 字節(jié)之間，如果除去頭部開銷，則實(shí)際的數(shù)據(jù)大小為 46—1500 字節(jié)之間。

一般情況下，數(shù)據(jù)包的大小都是在這個(gè)范圍內(nèi)，如果數(shù)據(jù)包 小于64 字節(jié)，稱為 碎片；

而如果 大于1518 字節(jié)，稱為 特大數(shù)據(jù)包。

這兩種類型的數(shù)據(jù)包都是非正常的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，它們將影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

無(wú)論是碎片或特大數(shù)據(jù)包，都會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生。

所以，我們?cè)趯?duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析的時(shí)候，對(duì)數(shù)據(jù)包大小的判斷也是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

6>、發(fā)送小于最小值的包，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？

正常接收：

在用 UDP 局域網(wǎng)通信時(shí)，經(jīng)常發(fā)生 “Hello World” 來(lái)進(jìn)行測(cè)試，

但是 “Hello World” 并不滿足最小有效數(shù)據(jù) (46) 的要求，為什么小于 46 個(gè)字節(jié)，對(duì)方仍然可用收到呢？

因?yàn)樵?鏈路層 的 MAC 子層中會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，不足 46 個(gè)字節(jié)的用 0 補(bǔ)齊。

收不到數(shù)據(jù)：

但當(dāng)服務(wù)器在公網(wǎng)，客戶端在內(nèi)網(wǎng)，發(fā)生小于 46 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)接收端 收不到數(shù)據(jù)的情況。

7>、應(yīng)用層 TCP/UDP 發(fā)送的源數(shù)據(jù)大小限制

小知識(shí)：

TCP 包頭中，是沒有對(duì) 數(shù)據(jù)包總大小 的定義 - 數(shù)理論上沒有大小限制。

UDP 包頭中，用 兩個(gè)字節(jié)（28=16bits） 來(lái)定義 數(shù)據(jù)包的總大小 -- 2^16 = 65535字節(jié) **即：***64k**

1、****TCP**** 是以 數(shù)據(jù)流 形式傳輸數(shù)據(jù)，所以使用 send 函數(shù)理論上沒有大小限制。

一般數(shù)據(jù)包太長(zhǎng)的話會(huì)進(jìn)行多次拆包傳輸，數(shù)據(jù)包短的話會(huì)放到下一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)送。

2、UDP 協(xié)議發(fā)送時(shí)，用 sendto 函數(shù)最大能發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為：65535- IP頭(20) - UDP頭(8)＝65507字節(jié)。

用 sendt o函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于該值，則函數(shù)會(huì)返回錯(cuò)誤

3、UDP 協(xié)議分成若干個(gè)包發(fā)送，會(huì)發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題

如果數(shù)據(jù)小于 65507字節(jié) ，則：按照 MTU 的值進(jìn)行分包，分成若干個(gè)包，然后發(fā)送出去；

而 接收方 IP 層就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)的重組。當(dāng) IP 層組包發(fā)生錯(cuò)誤，那么包就會(huì)被丟棄。

接收方無(wú)法重組數(shù)據(jù)報(bào)，將導(dǎo)致丟棄整個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)。

3、OSI 七層結(jié)構(gòu)：

img

網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程：

**在 **傳輸層**，切割成 *數(shù)據(jù)段*；

**在 **網(wǎng)絡(luò)層**，打成 IP 包 *數(shù)據(jù)包*；

**在 **數(shù)據(jù)鏈路層**，切割成 *數(shù)據(jù)幀*。

**在 **物理層**，轉(zhuǎn)變成 *比特流*。

二、計(jì)算 udp 或 tcp 包的最佳大?。?/p>

img

從上圖可知：本地 MTU 值 = 1500，那么：

UDP 包的大小: 1500 - IP頭(20) - UDP頭(8) = 1472(Bytes)

TCP 包的大小: 1500 - IP頭(20) - TCP頭(20) = 1460 (Bytes)

三、MTU 對(duì) UDP、TCP 的影響

1、MTU 對(duì) UDP 的影響：

一旦 UDP 攜帶的數(shù)據(jù) 超過(guò)1472（1500-20（IP首部）-8（UDP首部）），那么 UDP 數(shù)據(jù)就會(huì)在網(wǎng)絡(luò)層被分成多個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)

既：發(fā)送方 IP 層就需要將數(shù)據(jù)包分成若干片，而接收方 IP 層就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)的重組。

更嚴(yán)重的是，如果使用 UDP 協(xié)議，當(dāng) IP 層組包發(fā)生錯(cuò)誤，那么包就會(huì)被丟棄。

接收方無(wú)法重組數(shù)據(jù)報(bào)，將導(dǎo)致丟棄整個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)。

UDP不保證可靠傳輸；但是 TCP發(fā)生組包錯(cuò)誤時(shí)，該包會(huì)被重傳，保證可靠傳輸。

2、MTU 對(duì) TCP 的影響：

TCP 的一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)也不可能無(wú)限大，還是受制于 MTU，TCP 單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的最大消息長(zhǎng)度，稱為 MSS

TCP 在建立連接的過(guò)程中，雙方會(huì)進(jìn)行 MSS 協(xié)商

最理想的情況下，MSS 的值正好是在 IP 不會(huì)被分片處理的最大長(zhǎng)度（這個(gè)長(zhǎng)度受限于數(shù)據(jù)鏈路層的 MTU）

雙方在發(fā)送 SYN 的時(shí)候會(huì)在 TCP 的頭部寫入字節(jié)能支持的 MSS 值

然后雙方得知對(duì)方的 MSS 值之后，選擇較小的作為最終 MSS

MMS 的值就在 TCP 首部的 40 字節(jié)變長(zhǎng)選項(xiàng)中（kind=2）

MTU 通過(guò)限制 MSS（單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的最大消息長(zhǎng)度） 的取值，來(lái)限制單個(gè) TCP 包的長(zhǎng)度

3、MTU 和 MSS的關(guān)系

MTU：最大傳輸單元，由不同的數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)應(yīng)物理層產(chǎn)生的（硬件規(guī)定），以太網(wǎng)的MTU＝1500

MSS：最大分節(jié)大小，為 TCP 數(shù)據(jù)包每次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)分段大小

MSS 的取值受限于 MTU

四、如何測(cè)出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)最佳MTU值

1、首先，我們必須明白什么才是最佳的 MTU 值。

1）當(dāng)本地 MTU 值 > 網(wǎng)絡(luò) MTU 值，網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)行拆包，這樣一來(lái)數(shù)據(jù)包數(shù)量增多，二來(lái)也增加了拆包組包的時(shí)間

2）當(dāng)本地 MTU 值 < 網(wǎng)絡(luò) MTU 值，雖然可以直接傳輸，但是卻沒有完全利用網(wǎng)絡(luò)的性能，沒有發(fā)揮出最大傳輸能力

因此，設(shè)置最合適的本地 MTU 值，就是要讓本地 MTU 值 = 網(wǎng)絡(luò) MTU 值。

2、小知識(shí)：

如果 MTU 過(guò)大，在碰到路由器時(shí)會(huì)被拒絕轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)樗荒芴幚磉^(guò)大的包。

如果太小，因?yàn)閰f(xié)議一定要在包(或幀)上加上包頭，那實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)量就會(huì)過(guò)小，這樣也劃不來(lái)。

大部分操作系統(tǒng)會(huì)提供給用戶一個(gè)默認(rèn)值，該值一般對(duì)用戶是比較合適的。

3、怎樣才能知道自己的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的 MTU 值是多少呢？

下面便來(lái)介紹測(cè)試方法。

步驟一：

打開命令提示符窗口輸入以下命令（建議直接復(fù)制，以免誤將小寫字母 l 寫為數(shù)字 1），回車。

ping -l 1480 -f www.baidu.com

這條命令的意思是向 www.baidu.com（百度主頁(yè)）發(fā)送一個(gè)探測(cè)請(qǐng)求，請(qǐng)求將一個(gè)不允許分割的 1480 字節(jié)的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

步驟二：

若是出現(xiàn)傳輸失敗，提示需要拆分?jǐn)?shù)據(jù)包的情況，則說(shuō)明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的 MTU 值要比指定的 1480 小，因此我們就適當(dāng)調(diào)小數(shù)據(jù)包的大小，再發(fā)送一條類似的命令

若是出現(xiàn)傳輸成功，則說(shuō)明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的 MTU 值比 輸入的 要大。于是我們需要稍微調(diào)大數(shù)值，以便求得最為精確的網(wǎng)絡(luò) MTU 值

步驟三：

如此這般，通過(guò)不斷修正數(shù)據(jù)包的大小，我們可以最終得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的 MTU 值。

img

4、ping 命令使用的是 ICMP 協(xié)議

ping 命令使用的，既不是 tcp 報(bào)文，也不是 udp 報(bào)文

它用的是 ICMP 協(xié)議，與 IP 協(xié)議同級(jí)，屬于 網(wǎng)絡(luò)層，位于 tcp、udp（傳輸層）的下一層?！緫?yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層】

5、計(jì)算結(jié)果分析

最后測(cè)試得出：最大數(shù)據(jù)傳輸為 1472 字節(jié)的數(shù)據(jù)包，則：

MTU = 1472 + 20字節(jié) IP 首部 + 8字節(jié) ICMP 首部 = 1500 字節(jié)

審核編輯：湯梓紅