TCP/UDP/IP报文大小

TCP/UDP/IP报文大小

1、概述

首先要看TCP/IP协议，涉及到四层：链路层，网络层，传输层，应用层 。其中以太网（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｝｝｝

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层 叫做 段(segment) ，在网络层 叫做数据报(datagram) ，在链路层 叫做帧(frame) 。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

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。

我们从下到上分析一下：
1.在链路层 ，由以太网 的物理特性决定了数据帧的长度为(46＋18)－(1500＋18)，其中的18是数据帧的头和尾，也就是说数据帧的内容最大为1500(不包括帧头和帧尾)，即MTU (Maximum Transmission Unit)为1500 ；
2.在网络层 ，因为IP包 的首部 要占用20字节 ，所以这的MTU为1500－20＝1480 ；　
3.在传输层 ，对于UDP包 的首部要占用8字节 ，所以这的MTU为1480－8＝1472 ；
　　所以，在应用层，你的Data最大长度为1472 。当我们的UDP包中的数据多于MTU(1472)时，发送方的IP层需要分片fragmentation 进行传输，而在接收方IP层则需要进行数据报重组，由于UDP是不可靠的传输协议，　　如果分片丢失导致重组失败，将导致UDP数据包被丢弃。　　
　　从上面的分析来看，在普通的局域网 环境下，UDP的数据最大为1472字节最好(避免分片重组)。
　　但在网络编程中，Internet中的路由器可能有设置成不同的值(小于默认值)，Internet上的标准MTU值为576 ，所以Internet的UDP编程时数据长度最好在576－20－8＝548字节以内 。
MSS的主要作用是限制另一端主机发送的数据的长度，同时，主机本身也控制自己发送数据报的长度，这将使以较小MTU连接到一个网络上的主机避免分段。
MTU的含义: MAC帧 内的 数据(Payload)字段 的 最大长度 。

2、TCP、UDP数据包最大值的确定

UDP和TCP协议利用端口号 实现多项应用 同时发送和接收数据。数据通过源端口发送出去，通过目标端口接收。有的网络应用只能使用预留或注册的静态端口；而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP和TCP报头使用两个字节存放端口号 ，所以端口号的有效范围是从0到65535 。动态端口的范围是从1024到65535。
MTU最大传输单元，这个最大传输单元实际上和链路层协议有着密切的关系 ，Ethernet II帧的结构DMAC+SMAC+Type+Data+CRC 由于以太网 传输电气 方面的限制，每个以太网帧 都有最小 的大小64Bytes 最大 不能超过1518Bytes ，对于小于或者大于这个限制的以太网帧我们都可以视之为错误的数据帧，一般的以太网转发设备 会丢弃 这些数据帧。

由于以太网EthernetII最大的数据帧是1518Bytes这样，刨去以太网帧的帧头（DMAC 目的MAC地址 48bits =6Bytes+SMAC 源MAC地址 48bits=6Bytes+Type域 2Bytes）14Bytes 和帧尾CRC校验部分 4Bytes 那么剩下承载上层协议的地方也就是Data域最大就只能有1500Bytes这个值我们就把它称之为MTU 。
　　链路层帧的大小 1500(不包括帧头、帧尾)
UDP 包的大小 就应该是 1500 - IP头(20) - UDP头(8) = 1472(Bytes)
TCP 包的大小 就应该是 1500 - IP头(20) - TCP头(20) = 1460 (Bytes)

注：PPPoE所谓PPPoE 就是在以太网上面跑"PPP" 。随着宽带接入（这种宽带接入一般为Cable Modem或者xDSL或者以太网 的接入），因为以太网缺乏认证计费机制 而传统运营商是通过PPP协议来对拨号等接入服务进行认证计费的，所以引入PPPoE。PPPoE导致MTU变小了以太网的MTU是1500，再减去 PPP的包头包尾 的开销（ 8Bytes ） ，就变成1492 。不过目前大多数的路由设备的MTU都为1500。

如果我们定义的TCP和UDP包没有超过范围，那么我们的包在IP层就不用分包了，这样传输过程中就避免了在IP层组包发生的错误；如果超过范围，既IP数据报大于1500字节，发送方IP层就需要将数据包分成若干片，而接收方IP层就需要进行数据报的重组。更严重的是，如果使用UDP协议，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。UDP不保证可靠传输；但是TCP发生组包错误时，该包会被重传，保证可靠传输。
UDP数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数 ，其中 报头长度固定 ，数据部分可变 。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节(64K)。
我们在用Socket编程时，UDP协议要求包小于64K。TCP没有限定，TCP包头中就没有"包长度"字段，而完全依靠IP层去处理分帧 。这就是为什么TCP常常被称作一种" 流协议 " 的原因，开发者在使用TCP服务的时候，不必去关心数据包的大小，只需讲SOCKET看作一条数据流的入口，往里面放数据就是了，TCP协议本身会进行拥塞/流量控制。
不过鉴于Internet(非局域网)上的标准MTU值为576字节 ，所以建议在进行Internet的UDP编程时，最好将UDP的数据长度控制在548字节 (576-8-20)以内 。

3、TCP、UDP数据包最小值的确定

在用UDP局域网通信时，经常发"Hello World"来进行测试，但是"Hello World"并不满足最小有效数据(64-46)的要求，为什么小于18个字节，对方仍然可以收到呢？因为在链路层的MAC子层中会进行数据补齐，不足18个字节的用0补齐 。但当服务器在公网，客户端在内网，发生小于18个字节的数据，就会出现接收端收不到数据的情况。

以太网EthernetII规定，以太网帧数据域部分最小为46字节，也就是以太网帧最小是6＋6＋2＋46＋4＝64 。除去4个字节的FCS，因此，抓包时就是60字节。当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面填充以满足数据帧长不小于64字节。由于填充数据是由MAC子层 负责，也就是设备驱动程序 。不同的抓包程序和设备驱动程序所处的优先层次可能不同，抓包程序的优先级可能比设备驱动程序更高，也就是说，我们的抓包程序可能在设备驱动程序还没有填充不到64字节的帧的时候，抓包程序已经捕获了数据。因此不同的抓包工具抓到的数据帧的大小可能不同。下列是本人分别用wireshark 和sniffer 抓包的结果，对于TCP 的ACK确认帧的大小一个是54字节，一个是60字节，wireshark抓取时没有填充数据段，sniffer抓取时有填充数据段。

4、实际应用

用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sendto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。
用TCP协议发送时，由于TCP是数据流协议，因此不存在包大小的限制（暂不考虑缓冲区的大小），这是指在用send函数 时，数据长度参数不受限制 。而实际上，所指定的这段数据并不一定会一次性发送出去，如果这段数据比较长，会被分段发送，如果比较短，可能会等待和下一次数据一起发送。

也就是说以链路数据帧 的长度必须在46-1500字节之间 ,这个1500字节 被称为链路层的MTU(最大传输单元) 。

超过1500字节怎么办？

这也就是说IP数据报大于1500字节,大于MTU.这个时候发送方IP层就需要分片(fragmentation).
　　把数据报分成若干片,使每一片都小于MTU.而接收方IP层则需要进行数据报的重组.
　　这样就会多做许多事情,而更严重的是,由于UDP的特性,当某一片数据传送中丢失时,接收方便无法重组数据报.将导致丢弃整个UDP数据报。

进行Internet编程时则不同,因为Internet上的路由器可能会将MTU设为不同的值.
　　如果我们假定MTU为1500来发送数据的,而途经的某个网络的MTU值小于1500字节,那么系统将会使用一系列的机制来调整MTU值,使数据报能够顺利到达目的地,这样就会做许多不必要的操作。鉴于Internet上的标准MTU值为576字节 ,所以我建议在进行Internet的UDP编程时. 最好将UDP的数据长度控制在 548 字节(576-8-20)以内。

IP层：

对于IP协议来说，IP包的大小由MTU决定（IP数据包长度就是MTU-28（包头长度） 。 MTU值越大，封包就越大，理论上可增加传送速率，但 MTU值又不能设得太大，因为封包太大，传送时出现错误的机会大增。一般默认的设置，PPPoE连接的最高MTU值是1492 , 而以太网 （Ethernet）的最高MTU值则是1500 ,而在Internet上，默认的MTU大小是576字节 。

那么就一个问题， 用wireshark捕包。 为什么frame那一行是1514 bytes？

以太网封装IP数据包的最大长度是1500字节，也就是说以太网最大帧长应该是以太网首部加上1500，再加上7字节的前导同步码和1字节的帧开始定界符，具体就是：7字节前导同步码＋1字节帧开始定界符 ＋ 6字节的目的MAC＋6字节的源MAC＋2字节的帧类型＋1500 ＋ 4字节的 CRC校验。

按照上述，最大帧应该是1526字节，但是实际上我们抓包得到的最大帧是1514字节，为什么不是1526字节呢？原因是当数据帧到达网卡时，在物理层上网卡要先 去掉 前导同步码和帧开始定界符 ，然后对帧进行CRC检验，如果帧校验和 错，就丢弃此帧。如果校验和 正确，就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件（目的地址 是 自己的物理硬件地址、广播地址、可接收的多播硬件地址 等），如果符合，就将帧交"设备驱动程序 "做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据，因此，抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、CRC校验之外的数据，其最大值是6＋6＋2＋1500＝1514 。

如下图：

|----------|-------------------------|--------------------|-------------|-----------|----------------------------|
| Preamble | Destination MAC address | Source MAC address | Type/Length | User Data | Frame Check Sequence (FCS) |
| 8 | 6 | 6 | 2 | 46 - 1500 | 4 |

注意：

MSS（ Maximum Segment Size 最大报文段长度 ） 是 传输层 概念， 在建立TCP连接过程， 双方的SYN 报文中定义的 ， 通讯双方会根据双方提供的MSS值得最小值确定为这次连接的最大MSS值。

后面的数据传输都是按照确定的MSS进行传输。 MSS会根据物理接口的MTU计算得出 (MSS=MTU-IP头长度-TCP头长度)

MTU （max transfer unit） 是 数据链路层 中的概念，需要在 网卡中设置 的，如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要进行分片（fragmentation），把数据报分成若干片，这样每一片都小于MTU。

对于一个以太网来说，TCP的最大报文段长度即MSS一般是1460字节（1500(MTU) - 20(IP head) - 20(TCP head) = 1460 Byte） ，减去12字节的TCP timestamp option，留给TCP正文数据是 1448字节 。另外，TCP流量控制采用了滑动窗口机制，发送窗口的大小要小于min（接收端通告的接收窗口大小，发送端拥塞窗口大小）。

google得知Linux 2.6.39内核之前的TCP实现中，发送端初始拥塞窗口为3，单位是MSS （server机器内核版本未知，估计是2.6.39以前的）。也就是说TCP连接建立后，初始拥塞窗口限制第一次发送的数据长度要小于等于 1448 * 3 = 4344 字节，所以客户端 第一次recv 调用只收到了4344字节 数据。