网络中 MTU 值的由来

MTU 简述 - 分包后数据包最大长度
1、定义
Maximum Transmission Unit（最大可传输单元） 的缩写，它的单位是字节。在 *数据链路层* 定义
    一个数据包穿过一个大的网络，它其间会穿过多个网络，每个网络的 MTU 值是不同的。这个网络中最小的 MTU 值，被称为路径 MTU。
    假设：我们的接受/发送端都是以太网，它们的 MTU 都是 1500，我们发送的时候，数据包会以 1500 来封装，然而，不幸的是，传输中有一段X.25网，它的 MTU 是 576，这会发生什么呢？
    结论是显而易见的，这个数据包会被再次分片，更重要的是，这种情况下，如果 IP 包被设置了“不允许分片标志”，那会发生些什么呢？
    对，数据包将被丢弃，然事收到一份ICMP不可达差错，告诉你，需要分片！
    很显然，MTU 值设置得过大或过小，都会在一定程度上影响我们上网的速度。

在应用程序中我们用到的 Data 的长度最大是多少，直接取决于底层的限制，即：MTU
    以太网（Ethernet）的 数据帧 在链路层 　　IP包 在网络层 　　TCP或UDP包 在传输层 　　TCP或UDP中的数据（Data)在应用层
    它们的 关系是 数据帧｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝

2、网络中 MTU 值的由来：
1>、最大值：
对于 IP 数据包来讲，在 IP 包头中，以 两个字节（16 位）来描述 IP 包的长度，也就是说，一个 IP 包，最长可能是 65535字节（64K）。
那么加上以太网帧头和尾，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
但，使用最大值真的可以吗？我们往下看
2>、最佳值的推导：
a>、按最大值来推算：
IP 数据包按最大值 65535字节 来算，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：
( 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：
( 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。

小知识：
    Mbps，其全称为 Million bits per second，意为每秒传输百万位（比特）数量的数据
    而这里的 bit（比特，1比特等于1个位）是表示数字信号数据的最小单位。
    1 字节 = 8 比特，所以有 65553 * 8

b>、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：
( 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：
( 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：
1500 / 1518 =  98.8%
100Mbps传输时间：
( 1518 * 8 ) / ( 100 * 1024 * 1024 ) * 1000 = 0.11(ms)
2Mbps传输时间：
( 1518 * 8 ) / ( 2 * 1024 * 1024 ) * 1000 = 5.79(ms)
总体上时间都还能接受。
故，得出 MTU 为 1500字节 这个经验值。
3>、最佳值：
在 Ethernet 中，MTU 为 1500字节;
    在 FDDI 中，MTU 为 4352字节;
    在 IP over ATM 中，MTU 为 9180字节。
    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
4>、最小值：
最小值被限制在 64 = *46*(IP包大小) + 14 (以太网头) + 4 (尾部校验和 FCS)
    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。
5>、碎片与特大数据包：
    在以太网中，数据包的大小范围是在 64—1518 字节之间，如果除去头部开销，则实际的数据大小为 46—1500 字节之间。
    一般情况下，数据包的大小都是在这个范围内，如果数据包 小于64 字节，称为 碎片；
    而如果 大于1518 字节，称为 特大数据包。
    这两种类型的数据包都是非正常的以太网数据包，它们将影响网络的正常运行。
    无论是碎片或特大数据包，都会增加网络的负载，导致网络故障的发生。
    所以，我们在对网络进行分析的时候，对数据包大小的判断也是不可缺少的一个环节。
6>、发送小于最小值的包，会出现什么情况呢？
正常接收：

    在用 UDP 局域网通信时，经常发生 “Hello World” 来进行测试，
    但是 “Hello World” 并不满足最小有效数据 (46) 的要求，为什么小于 46 个字节，对方仍然可用收到呢？
    因为在 链路层 的 MAC 子层中会进行数据补齐，不足 46 个字节的用 0 补齐。

收不到数据：
    但当服务器在公网，客户端在内网，发生小于 46 个字节的数据，就会出现接收端 收不到数据的情况。
7>、应用层 TCP/UDP 发送的源数据大小限制
    小知识：
    TCP 包头中，是没有对 数据包总大小 的定义 - 数理论上没有大小限制。
    UDP 包头中，用 两个字节（28=16bits） 来定义 数据包的总大小 -- 2^16 = 65535字节 **即：***64k**
    1、****TCP**** 是以 数据流 形式传输数据，所以使用 send 函数理论上没有大小限制。
    一般数据包太长的话会进行多次拆包传输，数据包短的话会放到下一次数据传输时发送。
    2、UDP 协议发送时，用 sendto 函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) - UDP头(8)＝65507字节。
    用 sendt o函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误
    3、UDP 协议分成若干个包发送，会发送整个数据丢失问题
    如果数据小于 65507字节 ，则：按照 MTU 的值进行分包，分成若干个包，然后发送出去；
    而 接收方 IP 层就需要进行数据报的重组。当 IP 层组包发生错误，那么包就会被丢弃。
    接收方无法重组数据报，将导致丢弃整个 IP 数据报。