大学那会我玩魔兽世界,我的职业是法师,然后经常有朋友找我我带小号,带小号的方式是冲到血色副本里面把所有怪拉到一起,然后一起用AOE技能瞬间杀掉,在学校玩的时候没什么问题,但是放假在家的时候,我发现每次我拉好怪,放技能AOE的那个瞬间,很大概率会掉线,也不是网速问题,当时很多人也遇到同样的问题,看到个帖子说,把自己的MTU改成1480就行了,当时也不知道啥是MTU,就改了,发现还真的可以,就愉快地打游戏去了,多年以后我才知道MTU的重要性。

什么是MTU

Maximum Transmission Unit,缩写MTU,中文名是:最大传输单元。

这是哪一层网络的概念?

从下面这个表格中可以看到,在7层网络协议中,MTU是数据链路层的概念。MTU限制的是数据链路层的上层协议的payload的大小,例如IP,ICMP等。

OSI中的层 功能 TCP/IP协议族
应用层 文件传输,电子邮件,文件服务,虚拟终端 TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet
表示层 数据格式化,代码转换,数据加密 没有协议
会话层 解除或建立与别的接点的联系 没有协议
传输层 提供端对端的接口 TCP,UDP
网络层 为数据包选择路由 IP,ICMP,RIP,OSPF,BGP,IGMP
数据链路层 传输有地址的帧以及错误检测功能 SLIP,CSLIP,PPP,ARP,RARP,MTU
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

MTU有什么用?

举一个最简单的场景,你在家用自己的笔记本上网,用的是路由器,路由器连接电信网络,然后访问了www.baidu.com,从你的笔记本出发的一个以太网数据帧总共经过了以下路径:

1
笔记本 -> 路由器 -> 电信机房 -> 服务器

其中,每个节点都有一个MTU值,如下:

1
1500     1500                 1500
笔记本 -> 路由器 -> 电信机房  -> 服务器

假设现在我把笔记本的MTU最大值设置成了1700,然后发送了一个超大的ip数据包(2000),这时候在以外网传输的时候会被拆成2个包,一个1700,一个300,然后加上头信息进行传输。

1
1700     1500                1500
笔记本 -> 路由器 -> 电信机房 -> 服务器

路由器接收到了一个1700的帧,发现大于自己设置的最大值:1500,如果IP包DF标志位为1,也就是不允许分包,那么路由器直接就把这个包丢弃了,根本就不会到达电信机房,也就到不了服务器了,所以,到这里我们就会发现,MTU其实就是在每一个节点的管控值,只要是大于这个值的数据帧,要么选择分片,要么直接丢弃。

为什么是1500?

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,所以真正留给上层协议传输数据的大小就是:1518 - 14 - 4 = 1500,那么,1518这个值又是从哪里来的呢?

假设取一个更大的值

假设MTU值和IP数据包大小一致,一个IP数据包的大小是:65535,那么加上以太网帧头和为,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。

那么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:

1
( 65553 * 8 ) / ( 100 * 1024 * 1024 ) ≈ 0.005(s)

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:

1
( 65553 * 8 ) / ( 2 * 1024 * 1024 ) ≈ 0.100(s)

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。

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:

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( 100 * 8 ) / ( 2 * 1024 * 1024 ) * 1000 ≈ 5(ms)

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:

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

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:

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1500 / 1518 =  98.8%

100Mbps传输时间:

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

2Mbps传输时间:

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

总体上时间都还能接受

最小值被限制在64

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。

在我玩游戏的时候,为什么把MTU改成1480就不卡了?

路由器默认值大多都是1500,理论上是没有问题的,那为什么我玩游戏的时候改成1480才能流畅呢?原因在于当时我使用的是ADSL上网的方式,ADSL使用的PPPoE协议。

PPPoE

PPPoE协议介于以太网和IP之间,协议分为两部分,PPP( Point to Point Protocol )和oE( over Ethernet ),也就是以太网上的PPP协议,而PPPoE协议头信息为:

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| VER(4bit) | TYPE(4bit) | CODE(8bit) | SESSION-ID(16bit) | LENGTH(16bit) |

这里总共是48位,也就是6个字节,那么另外2个字节是什么呢?答案是PPP协议的ID号,占用两个字节,所以在PPPoE环境下,最佳MTU值应该是:1500 - 4 - 2 = 1492。

我的上网方式

当时我的上网路径如下:

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PC -> 路由器 -> 电信

我在路由器进行拨号,然后PC连接路由器进行上网。

最根本原因

问题就出在路由器拨号,如果是PC拨号,那么PC会进行PPPoE的封装,会按照MTU:1492来进行以太网帧的封装,即使通过路由器,路由器这时候也只是转发而已,不会进行拆包。

而当用路由器拨号时,PC并不知道路由器的通信方式,会以网卡的设置,默认1500的MTU来进行以太网帧的封装,到达路由器时,由于路由器需要进行PPPoE协议的封装,加上8字节的头信息,这样一来,就必须进行拆包,路由器把这一帧的内容拆成两帧发送,一帧是1492,一帧是8,然后分别加上PPPoE的头进行发送。

平时玩游戏不卡,是因为数据量路由器还处理得过来,而当进行群怪AOE的时候,由于短时间数据量过大,路由器处理不过来,就会发生丢包卡顿的情况,也就掉线了。

帖子里面提到的1480,猜测可能是尽量设小一点,避免二次拨号带来的又一次PPPoE的封装,因为时间久远,没办法回到当时的场景再去抓包了。

结论

1518这个值是考虑到传输效率以及传输时间而折中选择的一个值,并且由于目前网络链路中的节点太多,其中某个节点的MTU值如果和别的节点不一样,就很容易带来拆包重组的问题,甚至会导致无法发送。