Maximale Übertragungseinheit (MTU)

Maximale Übertragungseinheit (MTU)

In Computernetzwerken bezieht sich der Begriff Maximum Transmission Unit (MTU) auf die Größe (in Bytes) der größten PDU, die eine gegebene Schicht eines Kommunikationsprotokolls weitergeben kann. MTU-Parameter erscheinen normalerweise in Verbindung mit einer Kommunikationsschnittstelle (NIC, serieller Port usw.). Die MTU kann durch Standards festgelegt werden (wie es bei Ethernet der Fall ist) oder zur Verbindungszeit festgelegt werden (wie es normalerweise bei seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen der Fall ist). Eine höhere MTU bringt eine höhere Effizienz, da jedes Paket mehr Benutzerdaten transportiert, während Protokoll-Overheads, wie Header oder zugrunde liegende Verzögerungen pro Paket, fest bleiben, und eine höhere Effizienz bedeutet eine leichte Verbesserung des Massenprotokolldurchsatzes. Große Pakete können jedoch für einige Zeit eine langsame Verbindung belegen, was zu größeren Verzögerungen bei folgenden Paketen führt und die Verzögerung und minimale Latenzzeit erhöht. Beispielsweise würde ein 1500-Byte-Paket, das größte von Ethernet auf der Netzwerkschicht (und damit den größten Teil des Internets) zugelassene Paket, ein 14.4k-Modem für etwa eine Sekunde binden.

Pfad MTU-Erkennung
Das Internet Protocol definiert die „Pfad-MTU“ eines Internet-Übertragungspfads als die kleinste MTU aller IP-Hops des „Pfads“ zwischen einer Quelle und einem Ziel. Anders ausgedrückt ist die Pfad-MTU die größte Paketgröße, die diesen Pfad durchquert, ohne eine Fragmentierung zu erleiden.

RFC 1191 beschreibt „Path MTU Discovery“, eine Technik zur Ermittlung der Pfad-MTU zwischen zwei IP-Hosts. Es funktioniert, indem die Option DF (Don't Fragment) in den IP-Headern ausgehender Pakete gesetzt wird. Jedes Gerät entlang des Pfads, dessen MTU kleiner als das Paket ist, verwirft solche Pakete und sendet eine ICMP-Nachricht „Destination Unreachable (Datagram Too Big)“ zurück, die seine MTU enthält, sodass der Quellhost seine angenommene Pfad-MTU entsprechend reduzieren kann. Der Vorgang wird wiederholt, bis die MTU klein genug ist, um den gesamten Pfad ohne Fragmentierung zu durchlaufen.

Leider lässt eine zunehmende Anzahl von Netzwerken den ICMP-Datenverkehr auf (zB um Denial-of-Service-Angriffen zu verhindern), wodurch die Pfad-MTU-Erkennung nicht funktioniert. Eine solche Blockierung erkennt man oft in den Fällen, in denen eine Verbindung für geringe Datenmengen funktioniert, aber hängen bleibt, sobald ein Host einen großen Datenblock auf einmal sendet. Mit IRC kann ein sich verbindender Client beispielsweise die Ping-Nachricht sehen, aber danach keine Antwort erhalten. Dies liegt daran, dass die großen Willkommensnachrichten in Paketen gesendet werden, die größer sind als die echte MTU. Außerdem wird in einem IP-Netzwerk der Pfad von der Quelladresse zur Zieladresse oft dynamisch als Reaktion auf verschiedene Ereignisse (Lastausgleich, Überlastung, Ausgaben usw.) geändert – dies kann dazu führen, dass sich die Pfad-MTU ändert (manchmal wiederholt) während einer Übertragung, was weitere Paketverluste einführen kann, bevor der Host die neue sichere MTU findet.

Die meisten Ethernet-LANs verwenden eine MTU von 1500 Byte (moderne LANs können Jumbo-Frames verwenden, was eine MTU von bis zu 9000 Byte ermöglicht), jedoch werden Grenzprotokolle wie PPPoE dies reduzieren. Dies führt dazu, dass die Pfad-MTU-Erkennung wirksam wird, was möglicherweise dazu führt, dass einige Sites hinter schlecht konfigurierten Firewalls nicht erreichbar sind. Dies kann man möglicherweise umgehen, je nachdem, welchen Teil des Netzwerks man kontrolliert; zum Beispiel kann man die MSS (maximale Segmentgröße) im ersten Paket ändern, das die TCP-Verbindung an der eigenen Firewall aufbaut.

Dieses Problem ist seit der Einführung von Windows Vista, das den "TCP/IP-Stack der nächsten Generation" einführt, häufiger aufgetreten. Dies implementiert "Auto-Tuning des Empfangsfensters, das kontinuierlich die optimale Empfangsfenstergröße durch Messen des Bandbreitenverzögerungsprodukts und der Anwendungsabrufrate bestimmt und die maximale Empfangsfenstergröße basierend auf sich ändernden Netzwerkbedingungen anpasst."[2] Dies hat sich in Verbindung mit älteren Routern und Firewalls als fehlgeschlagen erwiesen, die mit anderen Betriebssystemen zu funktionieren schienen. Es ist am häufigsten in ADSL-Router zu sehen und kann oft durch ein Firmware-Update behoben werden.

ATM-Backbones, ein Beispiel für MTU-Tuning
Manchmal ist es aus Effizienzgesichtspunkten vorzuziehen, eine reduzierte MTU in der Software künstlich unter der tatsächlich maximal möglichen unterstützten Länge zu deklarieren. Ein Beispiel hierfür ist der Fall, bei dem IP-Verkehr über ein ATM-(Asynchronous Transfer Mode)-Netzwerk übertragen wird. Einige Anbieter, insbesondere solche mit Telefonie-Hintergrund, verwenden ATM in ihrem internen Backbone-Netzwerk.

Die Verwendung von ATM mit optimaler Effizienz wird erreicht, wenn die Paketlänge ein Vielfaches von 48 Byte beträgt. Dies liegt daran, dass ATM als ein Strom von Paketen fester Länge (bekannt als "Zellen") gesendet wird, von denen jede eine Nutzlast von 48 Bytes Benutzerdaten mit 5 Bytes Overhead bei Gesamtkosten von 53 Bytes pro Zelle tragen kann. Die Gesamtlänge der übertragenen Datenlänge beträgt also 53 * ncells Bytes, wobei ncells = die Anzahl der benötigten Zellen von = INT((payload_length+47)/48). Im schlimmsten Fall, wo die Gesamtlänge = (48*n+1) Bytes ist, wird eine zusätzliche Zelle benötigt, um das letzte Byte der Nutzlast zu übertragen, wobei die letzte Zelle 53 zusätzliche übertragene Bytes kostet, von denen 47 aufgefüllt werden. Aus diesem Grund maximiert das künstliche Deklarieren einer reduzierten MTU in der Software die Protokolleffizienz auf der ATM-Schicht, indem die Gesamtnutzlastlänge von ATM AAL5 wann immer möglich ein Vielfaches von 48 Byte beträgt.

Beispielsweise tragen 31 vollständig gefüllte ATM-Zellen eine Nutzlast von 31*48 = 1488 Bytes. Nimmt man diese Zahl von 1488 und subtrahiert alle Overheads, die durch alle relevanten höheren Protokolle verursacht werden, können wir einen Vorschlagswert für eine künstlich reduzierte optimal MTU erhalten. In dem Fall, in dem der Benutzer normalerweise 1500-Byte-Pakete senden würde, erfordert das Senden zwischen 1489 und 1536 Bytes zusätzliche feste Kosten von 53 übertragenen Bytes in Form einer zusätzlichen ATM-Zelle.

Für das Beispiel von IP-over-DSL-Verbindungen mit PPPoA/VC-MUX, die wiederum wie zuvor 31 ATM-Zellen füllen, erhalten wir eine gewünschte optimal reduzierte MTU-Zahl von 1478 = 31*48-10 unter Berücksichtigung eines Overheads von 10 Byte bestehend aus eines Point-to-Point Protocol-Overheads von 2 Bytes und eines AAL5-Overheads von 8 Bytes. Dies ergibt Gesamtkosten von 31*53=1643 Byte, die über ATM von einem 1478-Byte-Paket übertragen werden, das an PPPoA übergeben wird. Im Fall von IP, das über ADSL unter Verwendung von PPPoA gesendet wird, wäre die Zahl von 1478 die Gesamtlänge des IP-Pakets einschließlich der IP-Header. In diesem Beispiel spart die Einhaltung einer selbst auferlegten reduzierten MTU von 1478 im Gegensatz zum Senden von IP-Paketen mit einer Gesamtlänge von 1500 53 Byte pro Paket auf der ATM-Schicht auf Kosten einer Reduzierung der Länge von IP-Paketen um 22 Byte.

Eine maximale MTU für PPPoE/DSL-Verbindungen beträgt 1492 gemäß RFC 2516: 6 Byte sind PPPoE-Header, was genügend Platz für eine Nutzlast von 1488 Byte oder 31 volle ATM-Zellen lässt.

Schließlich: Der Standardwert der MTU soll 1492 betragen.... und bei Surfproblemen oder MSN-Verbindungsproblemen sollte es auf die Werte 1422 und 1420 gesenkt werden.

Referenz: Wikipedia

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