网络传输层不同数据大小的处理

                 网络传输层不同数据大小的处理

             Horin|贺勤
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    做网络传输时，为了使传输高效，一般都会对传输层的数据大小进行限制。数据过大时，会发生分片操作，但过小时会不会也有什么类似的操作？如果有，大小范围又是多少呢？
    这个问题，很多程序员，甚至一些做了多年网络编程的程序员，可能都有疑惑。下面谈谈作者个人的理解，如果有误，敬请指正。


1，传输层的发送缓冲区

    对普通的以太网，每一个 TCP 套接口有一个发送缓冲区，可以用 SO_SNDBUF 选项来改变该缓冲区的大小。当应用进程调用 write 时，内核从应用进程的缓冲区中拷贝所有数据到套接口的发送缓冲区。如果套接口的发送缓冲区容不下应用程序的所有数据 (或是应用进程的缓冲区大于套接口的发送缓冲区，或是套接口发送缓冲区还有其他数据)，应用进程将被挂起 (睡眠)。这里假设套接口是阻塞的。内核将不从 write 系统调用返回，直到应用进程缓冲区中的所有数据都拷贝到套接口发送缓冲区。
    即 TCP 套接口的 write 调用成功返回，仅表示可以重新使用应用进程的缓冲区，并不表示对方已经收到数据。

    UDP 套接口有发送缓冲区大小，但它仅仅是写到套接口的 UDP 数据报的大小上限。因为 UDP 是不可靠的，它不必保存应用进程的数据拷贝，因此无需一个真正的发送缓冲区。应用进程的数据在沿协议栈向下传递时，以某种形式拷贝到内核的缓冲区，然而当链路层把数据传出后这个拷贝就丢弃。
    从写 UDP 套接口的 write 调用成功返回，表示数据报或所有片段已被加入链路层的输出队列。


2，几个概念

    MTU，maximum transmission unit，最大传输单元，它由硬件规定。以太网链路的 MTU 为 1500 字节；这也是当今最常见的路径 MTU。IPv4 要求的最小 MTU 是 68 字节，IPv6 要求的最小 MTU 为 576 字节。
    为了使传输有效，最好每个 IP 数据报在独立的物理帧中传输。当通过一个大的 MTU 时，把数据报大小限制到最小的 MTU 是不经济的；同样，如果数据报的大小比最大 MTU 还要大，则数据报需要分片，降低了传输效率。

    MSS，maximum segment size，最大分节大小，即能接受的每个 TCP 分节中的最大数据量。
TCP 以 MSS(<= MTU - 40 (IP V4)) 大小或更小的块发送数据给 IP；其中 MSS 是由对方告知的，当对方未通告时就用 536 这个值；因为 IPv4 的最小重组缓冲区大小为 576 字节。


3，以太网各层的结构

    为简化描述，以 octet 代替八位组。

    对以太网 MAC 帧，首部 18 octet，帧的 Data 段大小为 [46, 1500] octet。
    以太网上传输的帧是可变长度的，但帧的长度不能小于 64 八位组、或大于 1518 八位组 (首部、数据和 CRC)。
    帧的结构为：
前同步码：8 octet
目的地址、源地址：各 6 octet
帧类型：2 octet
帧数据：46 - 1500 octet
CRC：4 octet

    常见的 IP 数据报的首部不含选项 (IP options) 和填充 (padding)，长度是 20 octet，另外还可以带上 <= 40 octet 的选项。
    数据报处理是在软件中进行的，故其格式和内容都不受任何硬件的限制。

    TCP 数据包的首部是 20 octet。
    UDP 数据报的首部为 8 octet。


4，TCP 层不同数据大小的处理

    根据上面 MTU 的讨论，对普通的 IPv4 以太网，当 TCP 数据包的数据大小 n 为：
              68-40 <= n <= 1500-40
时，该数据包只需要逐层添加相应的首部信息，然后由物理层发送出去。过大时则分片发送，过小时则填充后发送。