TCP的路径MTU发现（PMTUD）机制详解

描述：路径MTU（Path Maximum Transmission Unit）是指从源主机到目的主机整条路径中，所有链路MTU的最小值。路径MTU发现（PMTUD）是一种由通信双方（通常是发送方）动态发现路径MTU的技术，其核心目的是避免IP分片，因为分片会降低网络性能（增加丢包概率、加重处理负担）。PMTUD机制通过探测路径上各个路由器的MTU限制，动态调整发送的数据包大小，使其不超过路径MTU。

核心原理：PMTUD机制依赖于IP首部中的“不分片（DF, Don't Fragment）”标志位和ICMP（Internet Control Message Protocol）的“需要分片但DF位置位”错误消息。

详细过程：

1. 初始设置与假设：

   • 发送端在建立TCP连接时，会进行MSS（Maximum Segment Size）协商。初始的MSS通常基于本地网络接口的MTU计算得出（例如，以太网MTU为1500字节，则TCP MSS约为1500 - 20(IP头) - 20(TCP头) = 1460字节）。
   • 发送端假设这条网络路径的PMTU至少等于其本地网络的MTU，或者等于对端声明的MSS所对应的MTU。因此，它最初会发送大小不超过这个假设PMTU的数据包，并且会在IP首部中设置DF=1（不分片）标志。

2. 路径中的MTU瓶颈：

   • 当这个设置了DF=1标志的数据包在传输路径上到达某个路由器时，如果该路由器发现其出接口的MTU小于这个数据包的大小，而数据包又被标记为不可分片，那么该路由器将无法转发这个数据包。
   • 根据协议规定，该路由器必须丢弃这个数据包，并向数据包的源IP地址（即发送端）发送一个ICMP类型为3（目的不可达）、代码为4（需要分片但DF位置位）的错误消息。这个ICMP消息中，会包含其下一跳网络的MTU值。

3. 发送端处理ICMP错误：

   • 发送端必须能够接收并正确处理这种类型的ICMP消息。这是PMTUD机制正常工作的关键。
   • 当发送端收到“需要分片”的ICMP错误消息后，它会从中提取出下一跳的MTU值。
   • 发送端随后会根据这个新的、更小的MTU值，更新它认为的当前路径的PMTU。同时，它会重新计算TCP的MSS（新的MSS = 新PMTU - IP头 - TCP头）。
   • 此后，发送端发送的TCP数据段大小将不会超过这个新计算出的MSS。

4. 持续探测与更新：

   • 这个过程是持续的。如果路径上还存在一个MTU更小的链路，上述过程会重复：发送端用新的PMTU发送数据包，再次在MTU更小的路由器处被阻挡，收到新的ICMP错误，然后再次更新PMTU。
   • 最终，发送端会发现一个能够贯穿整条路径、不被任何路由器阻挡的最大数据包大小，这就是实际的路径MTU。

5. 缓存与超时：

   • 为了效率，操作系统通常会为每个目的主机（或网络）缓存一个PMTU值。这样，在后续向同一目的地发送数据时，可以直接使用缓存的PMTU，而无需重新探测。
   • 由于网络路由可能会动态变化，缓存的PMTU值通常会有一个过期时间。过期后，或者当通信长时间空闲后恢复时，发送端可能会再次将PMTU重置为一个较大的值（如本地接口MTU），重新开始探测过程，以适应路由变化后可能出现的更大PMTU。

PMTUD可能失败的情况与应对：

• ICMP被防火墙过滤：这是PMTUD最常见的问题。如果路径上的防火墙丢弃了ICMP“需要分片”消息，发送端将永远收不到这个关键通知。它会持续重传那个过大的数据包，而重传也会因为同样原因被丢弃，导致连接假死（“黑洞”）。
  • 应对：
    1. 配置防火墙，允许ICMP类型3、代码4的消息通过。
    2. 对于TCP，有一种退化的应对机制叫做“MTU黑洞发现”。当重传次数超过一定阈值（如net.ipv4.tcp_retries2的一半）仍无确认时，TCP可能会尝试降低MSS（例如降到536字节或更小）并进行重传，如果小包能通过，则连接得以恢复，但性能受损。
    3. 现代系统（如Linux）可能支持基于ACK传输速率的更智能的PMTUD黑洞发现算法。

总结：TCP的路径MTU发现是一种重要的网络优化技术，它通过主动探测并适应网络路径的MTU限制，避免了IP分片，提升了传输效率。其成功依赖于ICMP报文的正常传递。理解PMTUD对于分析网络性能问题和连接故障至关重要。