IP网络MTU参数设置分析

IP网络MTU参数设置分析

吴月花

民航福建空管分局

引言

当今IP技术已成为最主流的通信传输技术，基于IP技术的传输设备已覆盖整个工业界。而采用IP技术组建传输网，从而进行空管相关业务的传输，也已经是国内外民航单位的主流。MTU（最大传输单元）是指IP网络设备默认情况下允许传输的最大数据包长度，在实际组网当中，往往会遇到因为MTU参数选取不合理，导致业务出现不正常情况，且这类故障通常隐蔽性较强，排查周期一般较长，故希望通过对于MTU的了解和分析，以提高技术人员网络运维能力。

关键词：报文结构，MTU，字节

一、IP网络中MTU参数定义及作用

1.以太网数据报文结构

日常网络传输中，标准的二层以太网数据报文封装结构，如下表1所示，包含了该数据帧的目的MAC地址（6字节）、源MAC地址（6字节）、802.1Q标签（4字节，可选）、以太帧类型（2字节）、负载（IP报文，46-1500字节）、CRC校验（4字节），报文总长度一般在64-1522字节之间。

表1 以太网报文结构

2.IP报文结构

IP报文格式，包含了各类IP封装信息（IP报文头）和数据负载，其中IP报头一般固定为20字节，其余为数据负载。

结合表1以太网报文结构，我们可以将二层数据报文的结构，转化成表2的形式。

表2 以太网数据报文结构（IP报文分解）

3.特殊IP报文结构（GRE隧道）

实际网络运行中，除了上文所述的常规IP数据报文外，在某些特定情况下，IP报文的封装结构也会根据实际需求，产生一定的变化，以GRE（Generic Routing Encapsulation，通用路由封装协议）隧道为例，当IP网络中使用了GRE封装（GRE报头一般为4字节）后，数据报文结构如下表3所示，相较于常规的IP报文，使用了GRE封装的报文，会多一层IP报头、一层GRE报头。

表3 使用了GRE的以太网数据报文结构

4.MPLS报文结构

MPLS网络基于标签（Label）进行转发，其标签封装在链路层和网络层之间，常见的MPLS网络中，数据包在传输中通常会封装2层的MPLS标签（单层4字节），再结合上文内容，采用了MPLS网络传输的以太网数据报文结构，如表4所示。

表4 以太网数据报文结构（包含MPLS标签）

5.不同网络层级的MTU定义

第1章

第2章

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

(1)IP MTU

IP MTU表示网络层的最大传输单元，通俗来说是指一类通信协议在某一层上所能通过的最大数据包大小（以字节为单位），一般用于网络层设备上，例如路由器、防火墙等。按照国际惯例，IP MTU的默认取值一般为1500字节，以华为NE20E路由器设备为例，该设备的接口默认MTU，指的是网络层的IP MTU，默认参数1500。

图1 华为NE20E设备MTU定义

不过此参数的定义并非为强制标准，故不同厂商的产品，对于设备MTU的定义可能存在一定的差异。

(2)二层MTU

对于普通IP网络来说，二层MTU=二层数据封装（18-22字节）+IP MTU，通常情况下，1518（18+1500）字节的二层MTU，可以满足普通IP网的应用需求。

对于MPLS网络来说，二层MTU=二层数据封装（18-22字节）+MPLS封装（8字节）+IP MTU，以华为设备为例，在MPLS网络环境下的默认MTU设置，至少需要1526（18+8+1500）字节，才能满足正常的网络传输需求。

(3)PMTU（路径MTU）

我们通常把一条IP路径上(往返方向) 的最小MTU称为PMTU，以下图2为例，PC—>Server方向的最小MTU为1500，Server—>PC方向的最小MTU为1460，故可以得出结论，PC与Server间的路径MTU为1460。

图2 PMTU实例

6.MTU的作用

从上文中可以看出，在传输开销相对固定的情况下，单个数据包的实际负载越高，单位时间内可以传送的数据量就越大，传输效率也就越高，这就是MTU参数存在的意义，从这个角度分析，理论情况下，PMTU为9600的网络，传输效率一定会高于PMTU为1500的网络，但在实际运行环境中，往往会因为各种客观因素如硬件配置、软件、无线网络端口等原因，制约了整个网络PMTU参数。

二、MTU参数设置产生的问题

1.不同厂商的设备在对接时，MTU出现兼容性问题

由思科交换机组成的MPLS VPN网络中，核心层增加1台华为交换机后，出现核心层到异地接入层链路中断，以及MPLS VPN业务全部中断的情况。

首先确认新增的华为交换机，与思科交换机一样，都具备完整的MPLS VPN功能；其次将华为交换机至接入层的中继接口MTU手工降至1400字节（此时华为交换机在MPLS网中的PMTU长度由默认的1526字节降低至1426字节）后，该网络传输正常。

初步判断可能是MPLS VPN接入网所租用的运营商线路MTU参数配置无法满足华为设备在MPLS网络环境下的PMTU需求所致，经过了解确认运营商提供的二层链路，默认MTU参数为1522字节，造成整个MPLS网络的PMTU被限制在1522字节，因此不能满足华为设备默认的1526字节的要求。而思科设备之所以可以在网络PMTU为1522的环境下正常使用MPLS VPN功能，是因为该批思科设备的端口MTU定义默认值1500，指的是二层MTU，也就是说思科设备实际的IP MTU为1500-18（二层封装）=1486字节，即便加上了MPLS封装，也不会超过网络PMTU的数值。

2.数字业务割接到新网络后，出现偶尔中断

某数字业务从ATM数据网割接至IP承载网后，大致上三至四天就会发生一次中断。

由于ATM数据网基于二层链路，且业务传输是在链路两侧的用户设备之间，利用了GRE协议搭建通信隧道。而该业务从ATM数据网迁移至IP承载网后，传输通道从过去的ATM二层链路，转换成了三层传输网络，用户单位在变更了相关用户侧配置，转换传输链路层级的同时，保留了过去使用的GRE隧道。

通过抓取的数据包进行分析，发现该数字业务在正常传输时，用户服务器在IP层面上，所发送的单个数据报文的负载长度，均未超过1436字节，但该数字业务的用户服务器上，做了不允许响应包分片的设置，因此在故障发生时，用户服务器发送出带有不可分片属性的数据报文，且服务器上发送的数据报文长度大于传输链路的IP MTU，按通信规则该数据报文被网络设备丢弃，因此该业务的故障原因是由于用户侧在发送数据报文时，使用了特殊封装且不允许网络设备对数据报文进行分片传输，造成部分数据报文被网络设备丢弃。最终通过用户单位取消该业务的GRE封装后，业务状态恢复正常。

三、结论及建议

运维人员要了解MTU问题的易发场景，如新增设备、新开中继链路、运营商电路割接、新旧网络更新换代、业务系统设备变更、复杂的组网环境等。

运维人员要掌握MTU问题的排查思路和方法，如检测电路全程MTU值，使用TX300等测试仪表检测电路传输质量，在发端利用wireshark等软件抓包分析等。

在实际生产环境中，对于新建网络、新开通业务链路，运维保障单位均需将MTU参数测试重视程度同新电路传输质量测试对等，形成规范，将MTU、PMTU参数测试、验证作为网络中继及业务电路开通的必需工作步骤。