最大传输单元（MTU）据说是一个约定俗成的经验值，计算机网络中的很多默认参数据说也都是经验值，言下之意既没有经过严格的数学推导和证明，也没有充分的实验数据来支撑。

然而，正像一篇非著名文章里感叹的那样：

it just works!

这里的it，指整个互联网。

没错，互联网作为一个整体，既没有经过严格的数学推导和证明，也没有充分的实验数据来支撑。

以至于连互联网行业里面的不少大佬，也不无遗憾地表示，互联网这东西，不能算是科学。

我认为这并不代表互联网不科学。

准确来说，是以现在已知的科学技术体系，还不能“完美”解释互联网。

但这并不影响互联网的运转和演进。

虽然很多科学家尝试用复杂科学来解释互联网的运行规律，但我认为以复杂科学目前的研究进展，要对一个跨越了社会学、心理学、组织行为学、政治学、经济学、计算机科学等等迥异领域的复杂巨系统做出合理的解释，找出底层的第一性原理，尚需时日。

实际上我认为“解释”的那一天可能永远也不会到来。

复杂巨系统之所以被称为复杂巨系统，可能就是因为其底层逻辑已经简单到了毫无用处的地步，这个毫无用处指的是在有限的时空内无用，但在趋近于无穷的时空范围内，也就是在时空的尽头，谜底才有可能揭晓。

吾生也有涯，而知也无涯，以有涯随无涯，殆矣！

但要理解自己的无知，摒弃技术万能的执念，从更广泛的维度去理解互联网，却是一个在有生之年可以追随的目标。

计算机网络教育面临的最大的挑战，不在技术本身，而是如何知晓并理解技术背后复杂巨系统的复杂性，以敬畏之心与之共处，并顺应趋势，随之演化，而不是执着于一时一地的优化。

下面这篇论文，来自今年七月份明光男专暑期学校《软件定义广域网技术与应用》课程的作业，作者赵一帆，是一名当时即将入学的硕士研究生。

以专业视角审视，这篇论文有很多不足之处。之所以入选满分论文之列，是因为作者看到了技术表象背后的复杂性。

这就很好，非常好。

因而不加修饰，原文转载，以保持其赤子的状态。

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增大最大传输单元：技术变迁增大效率

赵一帆

(北京邮电大学 计算机学院, 北京100876)

 

摘要: 提出了对最大传输单元的增大改变，满足当前设备与技术环境，从而使得各种结构网络在传输中达到更大的效率。本文从最大传输单元诞生背景与制定原则、传统以太网结构与其工作模式以及传输介质进行分析，给出增大最大传输单元的各项原因。同时将结合多种数据库及数据分析公司提供的数据，对最大传输单元可以增大的范围给出初步界定。

关  键  词: 最大传输单元; 以太网; 锁相环; 带宽

中图分类号:文献标识码: A

 Increase the MTU: Technology Transition and Increases Efficiency

 

Abstract: The change of increasing the MTU is proposed to meet the current equipment and technical environment, so as to achieve greater efficiency in the transmission of various network structures. This paper analyzes the background and principles of the MTU, the structure and working mode of traditional Ethernet and the transmission medium, and gives the reasons for increasing the MTU. At the same time, combined with the data provided by a variety of databases and data analysis companies, the scope of the MTU can be increased is preliminarily defined.

Key words: MTU; ethernet; PLL; bandwidth

 

对于大多数使用以太网的局域网，最大传输单元(MTU, Maximum Transfer Unit)被设为1500字节这一限制，在传输中使用了将近四十年。随着这些年来的发展，网络设备各项能力不断迭代发展，这一限制在似乎可以在技术层面上可以被打破。增加MTU的大小可以提高路由交换设备的处理开销，同时增大传输的速率。减小MTU会导致传输次数增多，传输有效率降低。对于这种进退两难的状况，在其中寻找平衡就显得尤为重要。

本文将以太网中MTU的诞生背景与原则作为切入点，结合传统以太网的结构、工作模式和传输介质进行阐述与分析，给出增大MTU的各项原因。进一步将会列举分析多种数据库和数据分析公司提供的数据，初步预估MTU可增大的范围。

1 MTU简要介绍与分析

最大传输单元，简称MTU，其是指在一条传输中，从源地址到目的地址的这段链路上所有节点的最大传输单元的最小值，换句话说，就是数据帧在不进行分片这个前提下，能够进行传输的最大大小，故而称为最大传输单元。

对于以太网来说，MTU通常被限制为1500字节。这个数值保证了在绝大多数环境状况下，数据帧无须分片，就能顺利通过传输连接上的各个节点，这也意味着大幅度降低了中间设备丢弃数据帧从而引发重传的可能。

此外，最大传输单元这个参数通常与像粗电缆这一类的传输介质有关。

2 MTU诞生背景

在RFC879中提到“技术最终会有一些限制,就比如我们今天讨论的最大传输单元，但这些限制往往是工程上的选择，甚至是管理上的选择……希望朝着在不同的环境中使用相同的实现这个方向来实现……网关实现应该易于配置，以便在不同的环境中安装”[1]，这表明了增加限制（如最大传输单元）是技术与管理的产物，而且这种限制要适配与大多数环境。反过来说，为了能尽可能照顾到多数的情况，所以就要设置这种限制。

上世纪八十年代的RFC894中交代了以太网MTU设定为1500字节是以3Mb/s为实验背景之下诞生的[2]。以上两个重要的RFC文档给出了MTU生成的时代与技术背景，为本文后续分析打下初步的基础。

3   MTU影响因素

3.1  载波侦听多路访问/冲突检测

载波侦听多路访问/冲突检测又被简称为csma/cd，是一种介质访问控制的协议[3]，适用于早期的基于集线器的共享式以太网。

早期的局域网是以围绕集线器展开的，各个节点共享同一冲突域、广播域及带宽，所以称为共享式以太网。因为共享所以就会产生冲突，因此就出现了csma/cd。其允许在局域网中的多个设备可以同时访问传输介质（如电缆），一个设备发送的帧可以被线路中的多个设备接收。设备在发送帧的同时要对信道进行侦听，以确定是否发生碰撞，若在发送数据过程中检测到碰撞，则进行如下碰撞处理操作：

(1) 发送特殊阻塞信息并立即停止发送数据：特殊阻塞信息是连续几个字节的全1信号，此举意在强化碰撞，以使得其它设备能尽快检测到碰撞发生。

(2) 在固定时间内等待随机的时间，再次发送。

(3) 若依旧碰撞，则采用截断二进制指数避退算法进行发送。即十次之内停止前一次“固定时间”的两倍时间内随机再发送，十次后则停止前一次“固定时间”内随机再发送。尝试16次之后仍然失败则放弃发送。

为了保证传输的公平性和高效性，就要对传输单元大小就行限制。过大将会占用共享链路较长时间，产生高时延；当线路质量差而引起的丢包，发生在大包的概率也比小包概率大得多，重传成本也较大。过小，报头与有效荷载比值较大，同样大小的数据传输次数增多，可能引发的碰撞也增多，不能有效传输。

3.2 锁相环

早期的以太网使用锁相环技术将电缆的的频率锁定在某个频率上。如图一，简单的说就是输入一个外部的参考信号，将参考信号与电路输出信号的反馈送入鉴相器中进行比较，然后再输入到滤波器、压控振荡器得到输出信号[4]。

但是锁相环也存在一个问题，随着时间的推移，它会漂移。如果你传输的时间太长，锁相环就会出错，数据帧中的某一位就会出错。

图1 锁相环工作原理

 

4  增大MTU原因

现在交换式以太网取代了共享式以太网，甚至于共享式以太网消失，之前的rfc提到 限制往往是工程上或者管理上的选择，但现在工程变了。交换式以太网允许多节点同时通信，其能够根据帧的目的地址，将数据发送到某一端口，而不是广播到所有端口；交换机有一张表，记录着所有端口对应主机的MAC地址信息，根据此表将数据帧转发到正确的端口上。交换机能主动学习端口所接设备的MAC地址，在获知该端口的MAC 地址后，就会把传送给目标设备的直接发送到该端口而不是广播出去。每个节点可以独占带宽，从根本上解决了共享以太网的冲突问题。

同时随着锁相环及其类似技术发展到今日，线缆传输速率进步到以Gb作为传输单位，足以说明锁相环及其类似技术产生漂移的时间足以支撑巨大的报文传输。

另一个方面，提及对MTU定义的相关RFC文档均发布于上世界八十年代，可见MTU的大小是80年代技术所强加的一个限制。如图2 opensignal统计的各国移动设备下行速度的排名与图3 Speedtest从2020年5月到21年5月全球平均固定宽带的三个指标均值（包括上行速度、下行速度、时延）[5]，可以明显看出，相比于上世纪八十年代以3Mb/s的实验背景提升两个数量级。虽然技术进步了，但旧技术的局限性仍然困扰着我们，制约着我们。

本文认为对MTU的限制可以适当的放松了，现有技术基础至少可以支撑MTU增大一个数量级。

 

图2 Speedtest统计的全球平均固定宽带的三个指标均值

 

 

图3 opensignal统计的各国移动设备下行速度的排名

 

5   结束语

MTU是可以在以太网上传输的最大的数据链路层数据包。几十年后，在技术发生了翻天覆的变化后，MTU任然屈服于上个世纪的技术背景，IEEE不考虑改变MTU是因为它会打破向下兼容性。MTU至少应该增长一个数量级，但碍于管理层面上的阻碍，期待的事情并未发生。

参考文献:

[1] Postel J. The TCP maximum segment size and related topics[R]. RFC 879, November, 1983.

[2] Hornig C. RFC0894: Standard for the transmission of IP datagrams over Ethernet networks[J]. 1984.

[3] Carrier Sense Multiple Access Collision Detect (CSMA/CD) Explained. learn-networking.com. January 29, 2008. Retrieved 2011-07-29.

[4] Wikipedia contributors. "Phase-locked loop." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 6 Jul. 2021. Web. 11 Jul. 2021.

[5] Wikipedia contributors. "List of countries by Internet connection speeds." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 8 Jul. 2021. Web. 11 Jul. 2021.

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