• #【网络编程】-40 数据链路层之以太网、MAC、MTU详解

  2018-05-28 19:42:25 更多

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  作用

  之前介绍了网络中各层的作用，可见链接这里写链接内容

  我们都知道，在数据链路层，数据不再是以比特流的形式传输，而是分割成一个一个的帧再进行传输。也就是说，数据链路层是为网络层提供数据传送服务的，这种服务要依靠本层具备的功能来实现，它的各种机制可以让数据的传输更准确可靠。

  我们今天学习更多关于数据链路层的细节，让我们对其更加了解。

  认识以太网

  以太网不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。
  例如: 规定了网络拓扑结构，访问控制方式， 传输速率等；
  以太网是当前应用最广泛的局域网技术； 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等。

  以太网帧格式

  如下：
  
  解释：
  \1. 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址)，长度是48位，是在网卡出厂时固化的
  \2. 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP
  \3. 帧末尾是CRC校验码

  认识MAC地址

  1. MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点
  2. 长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
  3. mac地址在网卡出厂时就确定了，不能修改。mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)

  对比MAC地址和IP地址

  （1）IP地址描述的类似于路途的起点和终点。比如北京-上海。
  （2）MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点。
  比如，从北京到上海，我们肯定要经过很多站，这些XX站就可以看作是MAC地址。而北京、上海就是IP地址。

  认识MTU

  我们发送快递时，对尺寸会有一定限制，发送数据也有一定的限制， 这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。
  MTU是指数据链路层向网络层发数据的最大传输单元。
  \1. 不同网络类型的MTU是不同的
  \2. 以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节
  \3. ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位

  那如果数据包的长度大于1500字节呢？

  如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片(fragmentation)。

  MTU对IP协议的影响

  受到数据链路层的MTU的限制，对于较大的IP数据包需要进行分包。
  过程如下:
  \1. 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签（将每个小包IP协议头的16位标识(id) 设为相同）
  \2. 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0， 表示允许分片， 第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0)
  \3. 到达对端时再将这些小包进行顺序重组，拼装到一起返回给传输层
  \4. 一旦这些小包中任意一个小包丢失, 接收端的重组就会失败
  IP层不会负责重新传输数据
  为了方便理解，这是之前介绍IP的文章这里写链接内容
  截取里面的报头如下：
  

  MTU对UDP协议的影响

  我们回忆一下UDP协议，数据包在传输层需要加上8个字节的UDP首部，在网络层需要增加20个字节的IP首部。所以：
  一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部))，那么就会在网络层分成多个IP数据报。
  这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。

  那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就会大大增加。

  MTU对于TCP协议的影响

  TCP的一个数据报也受制于MTU。
  TCP的单个数据报的最大消息长度，称为 MSS(Max Segment Size)

  TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行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）
  MSS协商的过程：
  \1. 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值
  \2. 然后双方得知对方的MSS值之后， 选择较小的作为最终MSS
  （ MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)）
  MSS和MTU的关系
  由上文的解释，大家可能已经明白了：
  
  查看
  我们用ifconfig查看一下：
  

  Android 查看和修改网络mtu

https://www.cnblogs.com/lialong1st/p/10623256.html

CPU：RK3288

系统：Android 5.1
MTU：通信术语 最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位）。

查看当前网络mtu：

8000 已经超出了当前的 mtu，所以报错，并且后面括号中显示了当前网络 mtu 值为 1500

`root@rk3288:/ ``# ping -c 2 -M do -s 8000 www.baidu.com``ping` `-c 2 -M ``do` `-s 8000 www.baidu.com``PING www.a.shifen.com (14.215.177.38) 8000(8028) bytes of data.``From android-59027ac919feb197 (192.168.0.178): icmp_seq=1 Frag needed and DF ``set` `(mtu = 1500)``From android-59027ac919feb197 (192.168.0.178): icmp_seq=1 Frag needed and DF ``set` `(mtu = 1500)` `--- www.a.shifen.com ``ping` `statistics ---``0 packets transmitted, 0 received, +2 errors`

临时修改测试，设备重启后就恢复原始值

1、4G网络

`# 查看4G网络mtu``root@rk3288:/ ``# cat /sys/class/net/ppp0/mtu``cat` `/sys/class/net/ppp0/mtu``1500``# 修改mtu``root@rk3288:/ ``# echo 1492 > /sys/class/net/ppp0/mtu``echo` `1492 > ``/sys/class/net/ppp0/mtu``root@rk3288:/ ``# cat /sys/class/net/ppp0/mtu``cat` `/sys/class/net/ppp0/mtu``1492`

2、WLAN

`# 查看wifi网络mtu``root@rk288:/ ``# cat /sys/class/net/wlan0/mtu``cat` `/sys/class/net/wlan0/mtu``1500``# 修改wifi网络mtu``root@rk3288:/ ``# echo 1492 > /sys/class/net/wlan0/mtu``root@rk3288:/ ``# cat /sys/class/net/wlan0/mtu``1492`

3、以太网

`# 查看以太网mtu``root@rk3288:/ ``# cat /sys/class/net/eth0/mtu``cat` `/sys/class/net/eth0/mtu``1500``# 修改以太网mtu``root@rk3288:/ ``# echo 1492 > /sys/class/net/eth0/mtu``echo` `1492 > ``/sys/class/net/eth0/mtu``1|root@rk3288:/ ``# cat /sys/class/net/eth0/mtu``cat` `/sys/class/net/eth0/mtu``1500``# 修改失败` `# 设备上关闭以太网，不要拔掉网线` `#修改以太网mtu``root@rk3288:/ ``# echo 1492 > /sys/class/net/eth0/mtu``echo` `1492 > ``/sys/class/net/eth0/mtu``# 修改成功``root@rk3288:/ ``# cat /sys/class/net/eth0/mtu``cat` `/sys/class/net/eth0/mtu``1492`

固定网络的 mtu，重启后不恢复
以太网

diff --git a/kernel/include/uapi/linux/if_ether.h b/kernel/include/uapi/linux/if_ether.h
index ade07f1..0b780bf 100755
--- a/kernel/include/uapi/linux/if_ether.h
+++ b/kernel/include/uapi/linux/if_ether.h
@@ -31,7 +31,7 @@#define ETH_ALEN       6               /* Octets in one ethernet addr   */#define ETH_HLEN       14              /* Total octets in header.       */#define ETH_ZLEN       60              /* Min. octets in frame sans FCS */
-#define ETH_DATA_LEN   1500            /* Max. octets in payload        */
+#define ETH_DATA_LEN   1492            /* Max. octets in payload        */#define ETH_FRAME_LEN  1514            /* Max. octets in frame sans FCS */#define ETH_FCS_LEN    4               /* Octets in the FCS             */

TCP/IP协议：最大传输单元MTU 和 最大分段大小MSS (TCP的分段和IP的分片)

2017-12-07 11:20:10 更多

MTU = MSS + TCP Header + IP Header.
mtu是网络传输最大报文包。 mss是网络传输数据最大值。
MTU：maximum transmission unit，最大传输单元，由硬件规定，如以太网的MTU为1500字节。
MSS：maximum segment size，最大分节大小，为TCP数据包每次传输的最大数据分段大小，一般由发送端向对端TCP通知对端在每个分节中能发送的最大TCP数据。MSS值为MTU值减去IPv4 Header（20 Byte）和TCP header（20 Byte）得到。

分片：若一IP数据报大小超过相应链路的MTU的时候，IPV4和IPV6都执行分片(fragmentation)，各片段到达目的地前通常不会被重组(re-assembling)。IPV4主机对其产生的数据报执行分片，IPV4路由器对其转发的数据也执行分片。然而IPV6只在数据产生的主机执行分片；IPV6路由器对其转发的数据不执行分片。

例如：一个以太网上的主机和一个令牌环网上的主机间建立连接，其中以太网上主机通告的MSS为1460，令牌环网上主机通告的MSS为4096。观察分组，在两个方向上都找不到大于1460字节的数据，为什么？

​ 令牌环网上发送到以太网的数据大小不大于1460字节的原因是因为以太网上主要通告的MSS值就为1460个字节，所以令牌环网上发送出去的数据的长度不能够大于MSS值；令牌环网上主机通告的MSS值为4096，也即是说以太网能够发送到令牌环网上的TCP净荷值为4096，但是以太网的MTU值又是由硬件所决定的，最大只支持1500（包括IP头至少20B和TCP头至少20B），为避免分片，因此以太网发送到令牌环网的数据的净荷也为1500-20-20=1460B，所以两个方向的净数据长度不会大于1460字节。

下面这张图是数据进入协议栈时的封装过程

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.

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mMt53e7T-1570582907120)(http://support.huawei.com/ecommunity/showimage-10046027-10000035-6fb84a4a7338f2861a3402bf9fdecf4d.jpg)]

TCP/IP详解–TCP的分段和IP的分片

分组可以发生在运输层和网络层，运输层中的TCP会分段，网络层中的IP会分片。IP层的分片更多的是为运输层的UDP服务的，由于TCP自己会避免IP的分片，所以使用TCP传输在IP层都不会发生分片的现象。

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。

​ 在IP层分片时，只有第一个分片存在运输层协议头部，其余分片都不包含运输层协议的首部，这一点很重要。然后TCP的分段，每一个分段都包含TCP首部信息。再有就是IP分片时到达目的地之后再进行重组的，IP层的重组是发生在目的地的IP层，TCP的重组是发生在目的地的传输层中。

转自：
http://blog.csdn.net/yygydjkthh/article/details/7359281
http://blog.csdn.net/xiaofei0859/article/details/51052752
https://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/39860303

2. MTU调试

参考：http://www.right.com.cn/forum/thread-147203-1-1.html

各种应用下的最佳MTU值

设置MTU大小是一个反复试验的过程: 由最大值1500开始下降，直至问题解决。使用下列值之一或许能解决一些由MTU值引起的问题：

1. PPPoE 的最佳值
2. 使用 ping 的最大值 （大于此值的信息包会先被分解）
3. DHCP的最佳值
4. VPN和PPTP 的最佳值
5. 拨号连接到ISP的标准值

netsh interface ipv4 show subinterfaces

ping -f -l 1450 www.baidu.com

ping -f -l 1451 www.baidu.com

命令返回：“需要拆分数据包但是设置 DF。” 说明MTU值最大就是1450了。

于是有人就疑问，为什么在modem下测试是1478，而ping值测试 是1450？
上面ping得到的MTU值不能直接用于本地设置上，还应在此基础上加上28（数据包头大小28字节），因此最终在WAN设置页面修改MTU大小为1478。
最后，我就在路由器的WAN接口设置MTU值1478.

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