Jumbo Frame 与 MTU

什么是MTU

根据AWS EC2的文档:

The maximum transmission unit (MTU) of a network connection is the size, in bytes, of the largest permissible packet that can be passed over the connection. The larger the MTU of a connection, the more data that can be passed in a single packet. Ethernet packets consist of the frame, or the actual data you are sending, and the network overhead information that surrounds it.

MTU,即是一个connection上最大允许的packet/frame大小。我们知道,交换机(switch)和路由(router)的CPU都是按帧(frame)来处理信息。那么每个frame越大,理论上我们部署的网络中的router和switch总体效率便会得到提高。

Ethernet Frame

拿Ethernet Frame作例子:


802.3 Ethernet packet and frame structure - wikipedia

每个frame的header大小是固定的(frame delimiter之后的:MAC destination + MAC source + 802.1Q tag + length) = 18 bytes。802.1Q协议,也被称为Dot1q,本质上是用来在IEEE 802.3 Ethernet network上支持VLAN的,这里不赘述。由于VLAN的广泛使用,我们这里将其考虑进来。

由于header+preamble的大小固定,很显然每个frame/packet越小,收发的网络设备(switch/router)CPU花费在组合和拆分信息(收到frames时组合,发送信息时拆分)的时间和资源就越多,举一个极端情况,如果每帧payload只有1 byte,那我们不需要计算也能直观感觉到,这个网络的信息处理效率(吞吐量 / throughput)低得莫名其妙。从信息有效的比率的角度来说,Fixed Header + Payload = Unit Size,如果允许的Unit Size越大,那么每个frame的payload也就越大,所以所有的frames的信息里,fixed header占的比例就越小,网络设备就更多地在处理有效信息——payload。

直观比较

Why Jumbo Frame

根据IEEE 802.3,现在IEEE规定的Ethernet MTU是1500个字节。满打满算,1500个字节在payload上用完,1500/1542 (1500+26+4+12=1544)= 97.28%是这个限制下最高的利用效率(假设使用802.1Q VLAN tagging )。随着网络的日渐发达,对性能的要求愈加苛刻,人们不满足于1500MTU,所以拥有9000字节payload的Jumbo Frame便应运而生。

Jumbo Frame并不是什么新鲜的东西,Jumbo Frame起源于 Alteon WebSystems 推出的ACEnic Gigabit Ethernet adapters。现在的Jumbo Frame是9000MTU这一规范,也是源自于此。所以并不是说固定9000字节,不同的网络(设备)供应商可能提供不同的选择。

超9000MTU!

Jumbo这个词本意就是“巨大,特大”,所以一般frame size非标准(1500MTU)的frame规制,我们都可以称其为Jumbo Frame。

说到这里,我们可能会有些迷惑的地方在于,1500MTU 或者9000MTU,到底是指的payload size还是整个frame的大小呢?这真的是一个case by case的问题,各个网络设备供应商可能从未统一过。比如Cisco IOS 1500可能跟Juniper 1518一样,很明显一个标明的MTU没包含header一个包含了header,又比如AWS的Jumbo Frame是指的整个packet size 9000,而AWS又称这个standard为9001MTU。

Jumbo Frame的应用

使用上,比较重要的一点是,Jumbo Frame在一套系统中的应用,必须是end-to-end的。因为一旦中间有任何一个hop,任何一环没能支持同一MTU的Jumbo Frame,那么那一个部分就可能成为整个系统的网络瓶颈——木桶原理,最慢的一环决定了整体的速度。

现在的主流厂商基本上都支持Jumbo Frame。比如说Juniper Networks的SRX Series Services Gateway都支持最多9192字节的Jumbo Frame,当然这是整个packet size,payload部分仍是9000字节。

IP Fragmentation和Path MTU Discovery

IP Fragmentation,即是一个支持IP协议的link(比如两个router)MTU大小小于packet size时,该IP packet被切分传送。然后link的接收方则会将MTU的packet重新组合。比如说router A开始发送Jumbo Frame,而下一个hop的router B仍旧认为这个link的MTU是1500,那么这里就可能会发生IP Fragmentation,否则router B就只能丢掉不合标准的来自于A的packets。

Path MTU Discovery则是基于ICMP的,用于确定一个link的MTU的技术。如果要支持Jumbo Frame,一个网络势必要支持Path MTU Discovery,否则该网络中的设备会缺乏调整MTU的能力。

Jumbo Frame的问题

Jumbo Frame之所以没有成为现今IEEE的正式标准,恐怕是因为它所具有的一些问题。

一个问题便来自于上面所说的Path MTU Discovery。众所周知,ICMP有着很多安全隐患(比如典型的DoS--ICMP flood),因而许多网络设备供应商/ISP/用户自己会关掉/block掉整个ICMP,这便会限制Jumbo Frame的使用。

另一个问题,如上所述,Jumbo Frame要发挥价值,必须要一个网络end-to-end的支持并开启Jumbo Frame,这一点,在很复杂的网络环境中,不论是开发角度还是实践角度,都是很难的。当然有一些特殊的网络环境很适合使用,比如说AWS的Direct Connect——为用户提供AWS到自己的onprem网络(比如公司/自己的datacenter等等)提供一条不经过Internet基于802.1q VLAN的专属通路。

现代的NIC有着非常丰富和强大的处理功能。比如一个有着64k buffer的NIC,它并不会太在乎一个个1500字节的packet,而是先把现有的packets塞进buffer,然后便可以根据自己的处理能力高效的处理buffer,而非frame by frame地处理数据。

总而言之,使用Jumbo Frame,听起来很美好,能有效提高网络吞吐,可是具体的使用,需要考虑具体网络环境和所涵盖的所有网络设备,权衡之下才能知道使用它是一个能够有效改进网络的手段,还是弊大于利的多余操作。

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