MTU探测

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PMTUD 是一种用于确定从源主机到目标主机的整个网络路径上 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）大小的机制。它的主要目的是避免 IP 分片，因为分片会消耗额外的计算资源并可能增加丢包的风险。

核心思想：

PMTUD 利用 ICMP（Internet Control Message Protocol）的“Fragmentation Needed and DF set”（需要分片但 DF 位已设置）消息来工作。源主机发送一个设置了“Don’t Fragment”（DF）标志位的数据包，如果路径上的某个路由器发现这个数据包太大而无法转发，并且 DF 位被设置，它就不能进行分片，而是丢弃该数据包并向源主机发送一个 ICMP 错误消息，告知源主机路径 MTU 的信息。

详细过程：

  1. 初始化：

    • 源主机（Host A）想要向目标主机（Host B）发送一个较大的 IP 数据包。
    • Host A 会维护一个“路径 MTU 缓存”，记录它所知道的到不同目标的路径 MTU。如果缓存中没有相关信息，它会使用本地接口的 MTU 作为初始估计值（通常是发送接口的 MTU，例如以太网的 1500 字节）。
    • Host A 构造一个 IP 数据包，其大小不超过当前估计的路径 MTU，并且设置 DF（Don’t Fragment）标志位。

  2. 发送与尝试转发：

    • Host A 将这个设置了 DF 位的数据包发送到网络。
    • 数据包在网络中经过一个个路由器（Router 1, Router 2, …）。

  3. 遇到 MTU 限制：

    • 假设在路径上有一个路由器（例如 Router X），它的出站接口的 MTU 小于 Host A 发送的数据包大小。
    • Router X 收到这个数据包后，发现它需要转发，但是数据包的大小超过了它出站接口的 MTU。
    • 由于数据包的 DF 位被设置，Router X 不允许 对这个数据包进行分片。

  4. ICMP 错误消息生成与发送：

    • Router X 丢弃 这个过大的数据包。
    • Router X 生成一个 ICMP Type 3 (Destination Unreachable) Code 4 (Fragmentation Needed and DF set) 的错误消息。
    • 这个 ICMP 消息中通常会包含：
      • Next-Hop MTU 字段（RFC 1191 推荐）：指示 Router X 出站接口的 MTU 值。这是最直接的信息。
      • 原始 IP 头部 和 原始数据包的前 8 字节：用于帮助源主机识别是哪个连接的数据包被丢弃了。
    • Router X 将这个 ICMP 错误消息发送回 源主机 Host A。

  5. 源主机接收与处理 ICMP 消息：

    • Host A 收到这个 ICMP “Fragmentation Needed and DF set” 消息。
    • Host A 检查消息中的信息，确认它对应于之前发送的哪个数据包（通过 IP 头和前 8 字节数据）。
    • Host A 从 ICMP 消息中获取 Next-Hop MTU 值（如果可用），或者根据 ICMP 消息本身的大小推断出一个合适的、较小的 MTU 值。
    • Host A 更新其路径 MTU 缓存，将到目标 Host B 的路径 MTU 设置为这个新发现的、更小的值。

  6. 调整与重传：

    • Host A 上的上层协议（如 TCP）或应用程序会注意到原始数据包未能送达（例如，TCP 会因为超时或缺少 ACK 而重传）。
    • 当 Host A 再次尝试发送数据到 Host B 时，它会查询更新后的路径 MTU 缓存。
    • Host A 现在构造的数据包大小将不超过新发现的、较小的路径 MTU，并且通常仍然会设置 DF 位。
    • 这个较小的数据包可以成功通过 Router X，继续向 Host B 传输。

  7. 重复过程（如有必要）：

    • 如果路径上还有其他 MTU 更小的链路，上述过程（丢包 -> ICMP -> 调整 MTU -> 重传）可能会重复发生，直到找到整条路径上的最小 MTU，或者数据包小到可以无阻碍地通过所有链路。

关键点总结：

  • DF 位是关键： 只有当数据包设置了 DF 位时，PMTUD 机制才能被触发。
  • ICMP 是核心： ICMP “Fragmentation Needed and DF set” 消息是 PMTUD 的反馈机制。
  • 源端调整： 是源主机负责根据收到的 ICMP 消息调整其发送的包大小。
  • 缓存机制： 操作系统通常会缓存发现的路径 MTU 信息，以提高效率，避免对每个连接都重复进行发现过程。
  • 潜在问题：
    • ICMP 被过滤： 如果路径上的防火墙或安全策略阻止了 ICMP Type 3 Code 4 消息，源主机将无法收到反馈，可能导致数据包持续发送失败或被迫使用非常小的默认 MTU，影响性能。
    • 黑洞路由： 如果数据包因过大被丢弃，但 ICMP 消息也被阻止，就会形成“黑洞”，数据包无声无息地消失。

应用场景：

  • TCP: 大多数现代 TCP 实现都集成了 PMTUD，自动调整其最大报文段大小 (MSS)。
  • UDP/应用层: 应用程序或使用 UDP 的协议可能需要自己处理 PMTUD 或处理因 MTU 问题导致的丢包。

PMTUD 是一个自动化的、高效的机制，用于优化网络传输，但它依赖于网络中 ICMP 消息的正常传递。