Maximum Transmission Unit

Maximum Transmission Unit (MTU) - Maximale Datagramm-Größe (OSI-Schicht 3), das ohne Zerlegung in einen Frame auf OSI-Schicht 2 passt

Beschreibung

Maximale Paketgröße eines Protokolls der Vermittlungsschicht

Schicht 3 des OSI-Modells
gemessen in Oktetten
welche ohne Fragmentierung in den Rahmen (engl. "Frames") eines Netzes der Sicherungsschicht (Schicht 2) übertragen werden kann
Diese Paketgröße passt also in die Nutzlast (Payload) des Protokolls der Sicherungsschicht
Die maximale Größe der Nutzlast der Sicherungsschicht wird auch oft als MTU der Sicherungsschicht (engl. 'link MTU') bezeichnet

Die maximale Größe eines Rahmens der Sicherungsschicht lässt sich so berechnen

Maximale Rahmengröße =

Größte MTU aller benutzten Protokolle der Vermittlungsschicht + Größe der Sicherungsschichtheader

Hardware und Technik

Die MTU wird durch Einstellungen im Rahmen der Möglichkeiten der verwendeten Hardware und Technik bestimmt
Sie kann auf derselben Schnittstelle unterschiedliche Werte für unterschiedliche Protokolle der Vermittlungsschicht (z. B. IPv4 oder IPv6) annehmen
Alle an einem Schicht-2-Netz beteiligten Schnittstellen, welche Protokolle höherer Schichten verarbeiten, müssen auf denselben Wert für die jeweiligen Schicht-3-Protokolle eingestellt werden

Terminologie

Im OSI-Modell spricht man auf der Vermittlungsschicht von einem Paket (engl. 'packet'), während man auf der Sicherungsschicht von einem Rahmen (engl. 'frame') spricht
Die Terminologie, welche das OSI-Modell für die Einheiten auf den verschiedenen OSI-Modellschichten verwendet, hat zu einiger Verwirrung um den Begriff der MTU geführt

Abweichende Verwendung des Begriffs

Cisco und Juniper verwenden den Begriff MTU in ihrer Konfigurationssyntax als maximale Rahmen- bzw. Paketgröße der zu konfigurierenden Netzwerkschicht

Folgende Einstellungen entsprechen einander

Bei beiden Herstellern bedeutet das erste Auftauchen des Begriffes die maximale Ethernet Rahmengröße und nicht die maximale Größe der Nutzlast (Maximum Segment Size)
diese muss folglich einige Byte größer gewählt werden als die dann folgenden Einstellungen für die verschiedenen Schicht-3 Protokolle

Paket- und Rahmengröße

Unter der „packet size“ (Paketgröße) wird fälschlicherweise teils die „frame size“ (Rahmengröße) verstanden, jedoch stellt die obige Definition (siehe RFC 1122 und RFC 791) dies eindeutig klar
Ein Spezialfall liegt vor, wenn ein Schicht-2-Protokoll über ein anderes Schicht-2-Protokoll getunnelt wird, denn dann nennt man auch die Nutzlast selbst "Rahmen" (engl. 'frame')

Typische MTU-Größen

Medium	MTU in Bytes
Hyperchannel	65535
Token Ring(4)(802.5)	4464
Token Ring(16)	17914
FDDI	4352
Ethernet	1500
Gigabit Ethernet mit Jumboframes	9000
PPPoE (z. B. DSL)	≤ 1492
SLIP/PPP (low delay)	296
X.25	576
FibreChannel	theoretisch unbegrenzt
ISDN	576
ATM	4500
802.11	2312 (WiFi)

Path MTU (PMTU)

Maximale Paketgröße, die entlang der gesamten Wegstrecke übertragen werden kann, ohne einer Fragmentierung zu unterliegen

Sie ist die kleinsten MTU aller Schicht-2-Teilstücke im Pfad
Die PMTU kann automatisch durch PMTU Discovery (PMTUD) ermittelt werden

Beispiel Brief

Das Konzept der MTU auf die Post adaptiert ist verständlicher
Eine MTU 50 g heißt, dass man max. 50 g Inhalt (entspricht der Packet Size) in den Brief einpacken kann
Der Brief insgesamt kann selbst aber schwerer als 50 g sein, da im Normalfall noch ein Briefumschlag z.B. 4 g und eine Briefmarke 0,3 g hinzukommt
Bezahlt und verschickt wird der ganze Brief von 54,3 g Masse entsprechend der Frame Size

Beispiel Ethernet

Ein Ethernet Frame besteht aus zwei Teilen: dem „Header“, in dem Quell- und Zieladressen und andere wichtige Parameter für den Versand kodiert sind, und der Nutzlast, deren Größe durch die MTU bestimmt ist

In diesem Versuch ist die Größe der MTU mit 1500 Byte vorgegeben

Mit Hilfe des ping-Programmes wird ein „Frame“ erzeugt, der dann im Netzwerk über das Ethernet-Protokoll versendet wird
Die Verwendung des Begriffes Nutzlast ist hier mehrdeutig, da im OSI-Modell die verschiedenen Protokolle ineinander eingepackt (gekapselt) werden
Der im Versuch verwendete Linux-Befehl ping -s 1472 10.0.0.1 (Windows-Befehl ping -l 1472 10.0.0.1) sendet dann ein ICMP-Paket mit der Nutzlast von 1472 Bytes an die IP-Adresse 10.0.0.1

# ping -f -s 1472 10.0.0.1
1472 bytes Nutzlast des ICMP-Protokolles (Vermittlungsschicht)
+ 8 bytes ICMP-Header (Vermittlungsschicht)
+ 20 bytes IPv4-Header (Vermittlungsschicht)
-------------
= 1500 bytes (Nutzlast von Ethernet)
+ 14 bytes (Header der Sicherungsschicht)
+ 4 bytes (Frame Check Sequence)
-------------
= 1518 bytes (kompletter Ethernet Frame)

Mit einem Sniffer wie z. B. Wireshark wird als Ethernet Header nur die Größe von 14 Byte angezeigt

Hierzu kommt noch die 4 Byte große Frame Check Sequence am Ende des Frames
Falls VLANs verwendet werden, besteht der Header der Sicherungsschicht aus 18 Byte und der gesamte Ethernet Frame kann eine Größe von bis zu 1522 Byte annehmen
Würde IPv6 verwendet, änderte sich obige Berechnung dahingehend, dass der IPv6-Header der Vermittlungsschicht 40 statt 20 Byte beträgt und damit statt 1472 Byte ICMP-Nutzlast nur 1452 Byte möglich wären

Zum Prüfen der MTU eines Pfades ist es hilfreich, dem ping-Programm vorzugeben, das „don’t fragment (DF) bit“ für die Testpakete im IPv4-Header zu setzen (für Linux z. B. ping -M do -s 1472 10.0.0.1, für Windows: ping -l 1472 -f 10.0.0.1 ), denn dann erhält man eine Nachricht, falls die MTU überschritten wird

Leicht sichtbar machen lässt sich die Path MTU mit dem Programm tracepath für IPv4 bzw. tracepath6 für IPv6

Beispiel Ethernet

Ethernetrahmen bestehen aus zwei Teilen

dem „Header“, in dem Quell- und Zieladressen und andere wichtige Parameter für den Versand kodiert sind, und der Nutzlast, deren Größe durch die MTU bestimmt ist
In diesem Versuch ist die Größe der MTU mit 1500 Byte vorgegeben
Mit Hilfe des ping-Programmes wird ein „Frame“ erzeugt, der dann im Netzwerk über das Ethernet-Protokoll versendet wird
Die Verwendung des Begriffes Nutzlast ist hier mehrdeutig, da im OSI-Modell die verschiedenen Protokolle ineinander eingepackt (gekapselt) werden

ping -s 1472 10.0.0.1 (Windows-Befehl ping -l 1472 10.0.0.1)

sendet ein ICMP-Paket mit der Nutzlast von 1472 Bytes an die IP-Adresse 10.0.0.1

ping -f -l 1472 10.0.0.1
1472 bytes Nutzlast des ICMP-Protokolles (Transportschicht)
+ 8 bytes ICMP-Header (Transportschicht)
+ 20 bytes IPv4-Header (der Vermittlungsschicht)
-------------
= 1500 bytes (Nutzlast von Ethernet)
+ 14 bytes (Header der Sicherungsschicht)
+ 4 bytes (Frame Check Sequence)
-------------
= 1518 bytes (kompletter Ethernetrahmen)

Mit einem Sniffer (wie Wireshark)

wird als Ethernet Header nur die Größe von 14 Byte angezeigt
Hierzu kommt noch die 4 Byte große Frame Check Sequence am Ende des Frames

Falls VLANs verwendet werden

besteht der Header der Sicherungsschicht aus 18 Byte
der gesamte Ethernetrahmen kann eine Größe von bis zu 1522 Byte annehmen

Würde IPv6 verwendet

änderte sich obige Berechnung dahingehend, dass der IPv6-Header der Vermittlungsschicht 40 statt 20 Byte beträgt und damit statt 1472 Byte ICMP-Nutzlast nur 1452 Byte möglich wären
Oft ist es hilfreich dem ping-Programm vorzugeben das „don’t fragment (DF) bit“ für die Testpakete im IPv4-Header zu setzen

für Linux z. B ping -M do -s 1472 10.0.0.1

für Windows

ping -l 1472 -f 10.0.0.1

denn dann erhält man eine Nachricht, falls die MTU überschritten wird
Leicht sichtbar machen lässt sich die Path MTU mit dem Programm tracepath für IPv4 bzw. tracepath6 für IPv6

Jumbo Frames für Gigabit Ethernet

Jumbo Frames können deutlich mehr als 1518 Oktette beinhalten

und damit ist es möglich, größere Pakete unfragmentiert zu übertragen

Positiv

wiegt, dass der Protokoll-Overhead bei der Verwendung von Jumbo Frames reduziert werden kann und Router weniger Pakete behandeln müssen

Allerdings

ist die Terminologie bzgl. MTU derart uneinheitlich unter den Herstellern, dass es in der Praxis schwierig ist, von den Standardeinstellungen abzuweichen

Jumbo Frames sind nicht im IEEE-802.3-Standard spezifiziert

trotzdem unterstützen die meisten Hersteller von Gigabit Ethernet Switches und Routern MTUs bis 9000 Oktette

Quasistandard eine Path MTU um ca. 1500 Byte

So hat sich als Quasistandard eine Path MTU um ca. 1500 Byte im Internet eingebürgert, die durch das weit verbreitete Fast Ethernet sowieso meist nicht überschritten werden kann

Tunnelprotokolle

Mit dem Aufkommen von Internetzugängen, die auf Tunnelprotokollen basieren, zum Beispiel beim Verbindungsaufbau über das PPPoE-Protokoll hat die MTU an Bedeutung gewonnen
Obwohl die PMTUD in diesem Fall dafür sorgen soll, dass die Kommunikation trotz der durch den Tunnel abgesenkten MTU möglich ist, gibt es immer wieder fehlkonfigurierte Firewalls, die durch Verwerfen von ICMP-Steuerpaketen die PMTUD stören
Auch große Websites sind oft von diesem Konfigurationsfehler betroffen, sodass die Nutzer von getunnelten Zugängen die MTU ihrer Geräte verkleinern müssen, um auch mit diesen Sites kommunizieren zu können

Optimale MTU

Diskussionen über die optimale MTU
Einfache Optimierung

So groß wie möglich, ohne dass Probleme auftreten

Komplexe Optimierung

so viel kleiner als o. g. Maximum, dass der Verschnitt der Transportzellen der unter der DSL-Schicht liegenden ATM-Transportschicht möglichst klein wird

Oder: Einfach probieren

Die MTU bei ATM (4500) ist nicht zu verwechseln mit der Zellengröße (53 Bytes, 48 davon Nutzlast)
Bei der Übertragung über einen ATM-Link werden IP-Pakete in Stücke zu je 48 Bytes zerlegt und für die Übertragung auf mehrere ATM-Zellen verteilt
Der Router am anderen Ende des ATM-Links sammelt diese Zellen und setzt das ursprüngliche IP-Paket wieder zusammen
Im Gegensatz dazu wird bei der IP-Fragmentierung das Paket nicht vom Router reassembliert, sondern erst von dem Host, für den das Paket bestimmt war
Probleme, die durch einen falschen MTU-Wert auftreten können, sind Webseiten, die gar nicht oder nur teilweise angezeigt werden

Paketgrößen

MTU und PMTU

Die Maximum Transmission Unit (MTU) darf in einem IPv6-Netzwerk 1280 Byte nicht unterschreiten
Somit unterschreitet auch die Path MTU (PMTU) diesen Wert nicht und es können Pakete bis zu dieser Größe garantiert ohne Fragmentierung übertragen werden
Minimale IPv6-Implementierungen verlassen sich auf diesen Fall
Ein IPv6-fähiger Rechner muss in der Lage sein, aus Fragmenten wieder zusammengesetzte Pakete mit einer Größe von mindestens 1500 Byte zu empfangen
Für IPv4 beträgt dieser Wert nur 576 Byte
Im anderen Extrem darf ein IPv6-Paket auch fragmentiert laut Payload-Length-Feld im IPv6-Header die Größe von 65.575 Byte einschließlich Kopfdaten nicht überschreiten, da dieses Feld 16 Bit lang ist (216 − 1 Byte zzgl. 40 Byte Kopfdaten)

Jumbograms

RFC 2675 stellt aber über eine Option des Hop-by-Hop Extension Headers die Möglichkeit zur Verfügung, Pakete mit Größen bis zu 4.294.967.335 Byte, sogenannte Jumbograms zu erzeugen
Dies erfordert allerdings Anpassungen in Protokollen höherer Schichten, wie z. B. TCP oder UDP, da diese oft auch nur 16 Bit für Größenfelder definieren, außerdem muss bei jedem Paket, welches einen Jumbogram beinhaltet, im IPv6-Header die Payload-Length auf 0 gesetzt werden

Anhang

Siehe auch

Links

RFC

RFC	Titel
791	INTERNET PROTOCOL
879	The TCP Maximum Segment Size and Related Topics
1191	Path MTU Discovery
1981	Path MTU Discovery for IP version 6
2923	TCP Problems with Path MTU Discovery

Weblinks

https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Transmission_Unit
Dr. TCP, eine Software zum Einstellen der MTU unter Windows, ursprünglich für DSL-Nutzer geschrieben
MTU, eine weitere Software (Freeware) zum Einstellen der MTU unter Windows
Analysing TCP Header Options – Section 6 – Ausführliche Erklärung der MTU und MSS