一、MTU的定義及相關概念：
Mtu即最大傳輸單元，全稱為Maximum Transmission Unit，是指通信協議的某一層上面所能通過的最大數據包大小（以字節為單位）。由于定義的模糊性，在此也介紹幾個相關的名詞，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，稱為最大接收單元，目前也沒有權威的標準定義，但許多文章中有這個名詞。一臺主機或路由器的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是個理想化的概念，但目前業界沒有有效的手段來實現PMTU的發現和更新。`
MSS是OSI參考模型中四層的一個概念，即最大分段長度，全稱為TCP Maximum Segment Size，指TCP每次能夠傳輸的最大數據分段長度（以字節為單位），MSS一般比MTU小40字節。
Jumbo Frame(有些稱Giant Frame)，網絡上會遇到jumbo frame的概念，cisco路由器的接口中也有這個參數，超過以太網標準長度1518字節的幀稱為jumbo frame。
二、MTU涉及主要原理：
1、常見網絡的MTU值：
IP網絡以包為單位進行信息傳遞，那么，一次傳送多大的包合適、多大的包最高效就成為一個核心問題之一。MTU就是決定在什么樣的物理網絡傳送多大數據包大的事實標準，不同類型網絡由于物理特性、發展階段不同，其MTU的默認值也不盡相同，以下是摘錄的各類網絡及其默認MTU值：
對于windows操作系統來講，其以太網網卡MTU默認為1500，但可以通過修改工具或修改注冊表進行修改，但只能改小，不能改大，即只能修改為小于或等于1500字節。
2、PMTU 發現過程：
對于一個基于網絡的應用來講，如果應用穿過網絡的MTU與PMTU相等，那么應用穿過網絡的效率最高，或者說，應用通過主機網卡發出的最大數據包與PMTU越接近(指小于等于PMTU)，應用穿過網絡的效率越高，原因是有效的避免了分片和重組。
為了達到這個目的，一些操作系統支持自動發現路徑MTU的功能，具體過程為：
路由器接口上收到一個報文長度大于本接口MTU值的報文，如果該報文被打上不分片的標記，將丟棄本報文，并且返回一個ICMP差錯報文，通知報文發起者丟棄原因。報文發起者將發送比較小的報文。通過多次上述報文協商，將得到對于某一個固定路徑上的最小Mtu值，這個過程叫做“Mtu Discovery”[詳見RFC1191]。
了解了MTU發現的原理，舉一個實例驗證PMTU變化過程：
在上圖所示實驗網絡中，由三層設備模擬PPPOE撥號，實現接入寬帶IP網。三層設備上行以太網口默認MTU為1482字節。抓包結果顯示如下：
將三層設備上行以太網口默認MTU改為1000字節。抓包結果顯示如下：
3、“PMTU”發現存在的問題：
由于互聯網上路由器或其它網絡設備的配置的無法統一規范，某些運營商或網站考慮到網絡安全和其它需要，有時會把ICMP報文過濾掉，此外，PMTU牽涉到主機、各類交換機、路由器、防火墻等網絡設備，這些主機和網絡設備沒有有效的手段實現PMTU的協商和交互,這樣Mtu Discovery不能正常運行，影響應用正常運行，即實質上目前沒有有效的手段來發現PMTU。
互聯網上的網絡設備,遇到MTU發現報文或必須將IP包分片但DF設置為1時，路由器可采用以下任一種方式(從網上摘錄)：
發送符合 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轉發失敗的鏈路的 IP MTU 的信息。（導致PMTU無法正常發現）
發送符合 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 MTU 字段，可指出轉發失敗的鏈路的 IP MTU。（PMTU可能會正常發現）
RFC 1191 定義了路徑 MTU (PMTU) 發現，它使得源和目的 TCP 對等方能夠動態地發現二者之間路徑的IP MTU，從而發現該路徑的 TCP MSS。一旦收到符合 RFC 1191 定義的“Destination Unreachable-Fragmentation Needed and DF Set”消息，TCP 就會將該連接的 MSS 調整為指定 IP MTU 減去 TCP 和 IP 報頭的大小。這樣，在該 TCP 連接上發送的后續包就不會超過最大大小，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 標記設置為 1 的包的路由器稱為 PMTU 黑洞路由器。
總之，PMTU的不可發現性，導致因MTU問題引起的應用系統無法正常運行情況時有發生。
4、超過MTU值的數據包分片、重組過程，：
IP包的格式如下：
IP包的分片重組牽涉到IP包頭的幾個重要字段，主要是標識符、標識位、偏移量，分別詳述如下：
標識符（Identification）：在發送數據包前，發送主機給每個數據包一個ID值，放在16位的標識符字段中。此ID用于標識唯一的數據報或數據流。接收主機利用此ID對收到的數據報進行重組。當分片的IP數據報從源地址發送到目的地址的時候，由于網絡延遲或者不同的傳輸路徑的關系，在到達目的主機時，這些分片數據報并不總是有序的到達，而是處于一種無序狀態，因此，接收主機便用此ID判斷接收的這些分片數據報是否屬于同一個數據流，然后再進行重組。
標志（Flags）：第一個bit稱為R位，目前保留未用。第二個bit稱為DF位，Don't Fragment，“不分片”位，即如果將這一比特置1 ，表示上層應用不允許分片，IP層將不對數據報進行分片。第三個bit稱為MF位，More Fragment，“更多的片”。除了最后一個數據分片外，其他每個組成數據報的數據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據報在整個數據流中的位置，即相當于分片數據報的順序號。發送主機對第一個數據報的偏移量置為0，而后續的分片數據報的偏移量則以網絡的MTU大小賦值。偏移量對于接收方進行數據重組的時候，這是一個唯一依據。對于分片的數據段(單位：字節)必須為8的整數倍，否則IP無法表達其偏移量。
了解了數據分片的幾個關鍵字段后，我們找一個實例說明分片過程（從網上摘錄）：
在MTU為1500的以太網中，源主機如果需要通過UDP傳送3000字節的數據到目的主機，這時的分段情況如下所示(假定在同一網段)：
此處需要注意的是對于分片1的報頭，相對于其他兩個分片的報頭要多8個字節UDP協議報頭的開銷。因此，在計算實際傳輸的數據凈載荷時，分片1要多減去8字節UDP報頭。最后，接收主機通過包ID、標識位、偏移量值將數據重組成完整的數據。
需要注意是，有些數據包在一次分片后，由于遇到更小MTU的網絡，還可能被繼續分片。為數據包分片和為數據包再次分片的區別在于網關處理MF位的不同。在一個網關為原來未分片的數據包分片時，除了末尾的數據包片，它將其余所有分片上的MF位置為1，最后一片為0。然而，當網關為一個非末尾的數據包片再次分片時，它會把生成的所有子分片中的MF位全部調為1，因為所有這些子分片都不可能是整個數據包末尾的數據包。分片中標志字段的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于原始分組的偏移量。
三、MTU對上層應用的影響：
1、TCP、UDP等上層應用傳輸效率的高低與PMTU有密切聯系。
對TCP來講，其傳輸效率與MSS的合適大小密切相關，而MTU是決定MSS大小的唯一因素。MSS的大小會在TCP連接建立階段進行協商，具體協商過程如下：
TCP client發出SYN報文，其中option選項填充的MSS字段一般為(MTU-IP頭大小-TCP頭大小)，同樣TCP server收到SYN報文后，會發送SYN＋ACK報文應答，option選項填充的mss字段也為(MTU-IP頭大小-TCP頭大小)；協商雙方會比較SYN和SYN+ACK報文中MSS字段大小，選擇較小的MSS作為發送TCP分片的大小。
理論上，如果MSS與合適的MTU即PMTU（我認為合適的PMTU為路徑上可不分片通過的最大MTU）匹配，TCP傳輸效率最高，因為免去了分片、重組等工作。但由于PMTU發現過程無法保證，導致最終發現的MTU可能并不合適路徑傳輸，造成部分應用的分片和重組，降低了傳輸效率。
2、部分網絡設備對特定應用的分片報文處理能力弱，造成部分應用故障。
目前，國內寬帶IP網絡多數用戶采用PPPOE撥號方式實現業務接入。位于電信運營商內側的BAS設備用于終結PPP連接，實現用戶接入匯聚。實際應用中，部分BAS設備對VPDN等特定應用的分片、重組機制不健全，造成部分基于VPDN方式的業務速度緩慢。如：筆者曾發現過某廠商BAS設備ME60當TSU板未啟用時，其于L2TP隧道的VPDN撥號應用，經常出現業務訪問緩慢，甚至不通的情況，當啟用TSU板后，業務恢復正常（經了解，TSU板是專門用于基于隧道或其它協議數據包分片處理功能）。某廠商設備SE800，承載了基于L2TP隧道的VPDN撥號應用后，部分應用可以使用，部分應用無法正常運行。
3、部分網絡安全設備對分片的重組過程進一步影響業務應用。
原則上，當某個網絡應用業務在傳輸過程中發生分片后，只有發送端和接收端會進行分片的重組，這已經影響到業務運行速度。當分過片的IP包經過網絡監測設備、安全系統等設備時，基于安全和其它特定目的，有些設備要求完成數據包的分片和重組，會進一步延緩應用的運行速度，甚至導致部分應用無法使用。
四、MTU常見問題小結(摘錄自網絡)：
1、為何有些共享上網的路由器的網絡設備以太網口MTU值不是1500？
有些通過共享路由器PPPOE撥號上網的路由器上連口（與ADSL調制器互聯的以太網口）MTU為1492，因為PPP報文占據了8個字節，導致承載數據信息的IP報文大小變成了1492。
2、為什么在思科路由器上GRE接口的默認MTU為1476？
因為GRE會重新封裝一個IP包頭，以及加上GRE的4字節頭部，一共是24個字節。這樣總的用于應用的IP包的長度為1476。
3、為什么支持VLAN標記的接口MTU要大于1514字節？
由于VLAN的原理是在以太網的幀頭部加入了4個字節的VLAN TAG信息，因此在支持802.1q標記的鏈路的接口上要求MTU不小于1518字節，才能保證凈荷為1500的數據包順利通過該接口。
4、MTU和各種VPN的關系有無規律性？
因VPN的實現需要對原有的IP或者是TCP/UDP數據進行封裝，因此也就增加了數據包或數據幀的總長度，這樣也就導致了VPN 承載的數據凈荷值的減小，具體減少的數值與不同的VPN類型相關。
即：MTU=經VPN封裝后數據包長度-VPN封裝包頭長度
5、對于因MTU問題引起的應用系統故障現象有哪些？處理思路是什么？
因MTU引的網絡問題表現各種各樣，如：有些游戲，經常卡機。有的網站，部分網頁可以打開，部分網頁打不開。總的來講，如果網絡不丟包，而網絡應用時快時慢，或部分應用無法使用，很大程度上可以定位為MTU問題。
對于MTU引起的問題，處理思路為：要么增加網絡中最細管道的MTU值，要么減少終端應用發現的數據包大小。對于終端的MTU，會有各種各樣的工具或方法進行修改。
