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

topic - Kurzbeschreibung

Beschreibung

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

Beschreibung

MTU (Maximum Transmission Unit) beschreibt die maximale Paketgröße eines Protokolls der Vermittlungsschicht (Schicht 3) des OSI-Modells in Byte, die ohne Zerlegung in den Rahmen (engl. „Frame“) eines Netzes der Sicherungsschicht (Schicht 2) passt

Das Paket passt 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 Maximum Transmission Unit (MTU; deutsch maximale Übertragungseinheit) beschreibt die maximale Paketgröße eines Protokolls der Vermittlungsschicht (Schicht 3) des OSI-Modells, gemessen in Oktetten (Bytes), welche ohne Fragmentierung in den Rahmen (engl. „Frame“) 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

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

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 (siehe abweichende Verwendung bei wichtigen Herstellern)
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
DQDB
HIPPI
ATM	4500, s. u
ARCNET
802.11	2312 (WiFi)

Die Path MTU (PMTU) beschreibt die maximale Paketgröße, die entlang der gesamten Wegstrecke übertragen werden kann, ohne einer Fragmentierung zu unterliegen

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

Beispiel Brief

Das Konzept der MTU kann auf den Briefverkehr adaptiert werden

Ein Kompaktbrief darf maximal 50 g wiegen
Zum Transport benötigt der Brief einen Briefumschlag z. B. 4 g und eine Briefmarke 0,3 g
Diese 4,3 g entsprechen der Größe der Sicherungsschichtheader
Daraus ergibt sich, dass die MTU (der maximale Inhalt für einen Kompaktbrief oder Packet Size) 50 g – 4,3 g = 45,7 g beträgt

Will man mehr Gewicht verschicken, muss man auf ein anderes Protokoll (einen Großbrief mit mehr Porto) ausweichen oder den Inhalt auf mehrere Briefe aufteilen, also fragmentieren

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

Einfluss auf andere Protokolle

Die MTU ist ein hardwareabhängiger Wert, der sämtliche Parameter oberhalb der Sicherungsschicht des OSI-Modells beeinflusst

Am Beispiel Ethernet ist dies einfach erklärt: In diesem Netzwerk werden sämtliche Pakete der Schicht 3, beispielsweise IP-Pakete, in „Ethernet-Frames“ übertragen
Die Nutzdaten dieses Ethernet-Frames (d. h. die IP-Pakete) dürfen den MTU-Wert nicht übersteigen
Die Länge der TCP-Nutzdaten (Maximum Segment Size) wird daher aus der MTU direkt berechnet

Andere Beispiele und Probleme

Jumbo Frames für Gigabit Ethernet 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
Des Weiteren sind Jumbo Frames nicht im IEEE-802.3-Standard spezifiziert, trotzdem unterstützen die meisten Hersteller von Gigabit Ethernet Switches und Routern MTUs bis 9000 Oktette
So hat sich als Quasistandard eine Path MTU um ca. 1500 Byte im Internet eingebürgert, die durch das weit verbreitete Ethernet sowieso meist nicht überschritten werden kann

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

Über die optimale MTU gibt es viele Diskussionen:

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

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.^[1]

Anwendungen

Berechnung

Maximale Größe eines Rahmens der Sicherungsschicht

Maximale Rahmengröße = Größte MTU aller benutzten Protokolle der Vermittlungsschicht + Größe der Sicherungsschichtheader

Ermittlung der MTU-Größe

Zu diesem Zweck können Sie 'ping' verwenden, um ein Paket der erforderlichen Größe mit gesetztem Bit "Nicht fragmentieren" zu senden
Es ist auch eine gute Idee, eine Paketanzahl von eins zu verwenden, da es nicht sinnvoll ist, mehr Netzwerkverkehr zu senden als Sie brauchen

Hinweis

Die beim Befehl ping angegebene Größe entspricht der Anzahl der zu sendenden Datenbytes
Diese muss also 28 Byte kleiner sein als die tatsächliche Paketgröße, um die Größe des Paket-Headers zu berücksichtigen

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.
Mithilfe 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 Internet Control Message Protocol|ICM-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 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 Virtual 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

Oft ist es hilfreich dem ping-Programm vorzugeben das „don’t fragment (DF) bit“ für die Testpakete im IPv4-Header zu setzen denn dann erhält man eine Nachricht, falls die MTU überschritten wird

Linux

ping -M do -s 1472 10.0.0.1

Windows

ping -l 1472 -f 10.0.0.1

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

Fehlerbehebung

Probleme durch falsche MTU-Größe können sehr subtil sein

Es ist möglich einem Webserver zu erreichen, die Dateiübertragung schlägt jedoch fehl
Verbindung zu einem Chat-Server funktioniert, aber die Informationen darüber, wer online ist, sind unvollständig

Konfiguration

Der MTU-Wert kann wie folgt gesetzt werden

Mac OS X

Systemeinstellung öffnen, unter „Netzwerk“ den Netzwerkanschluss auswählen, auf den Reiter „Ethernet“ klicken, und unter MTU „eigene“ wählen und Wert eingeben

Linux

ifconfig eth0 mtu 1234 (1234 ist neuer Wert)
Dies muss in einem der Startskripte angegeben werden, da es sonst immer wieder gesetzt werden muss

Windows

Über die Netzwerkeigenschaften bzw. Systemsteuerung
mit Programmen wie z. B. dem Freeware-Programm DrTcp oder tcp optimizer, um den Wert dauerhaft zu setzen

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