Допустим, я скачиваю фотографию ветки сакуры с сайта в Японии в формате PNG. Изображение ведь не умещается в одном фрейме и его стек TCP/IP поделит на фреймы. Вы знаете как выглядит каждый фрейм в этом случае и сколько их всего? Будет ли внутри них что-то меняться в процессе передачи из Японии в Россию?
Первое о чем вы, наверняка, подумали - заголовки. На всех этапах перемещения данных по стеку TCP/IP каждый протокол добавляет свой заголовок и передает информацию на следующий уровень абстракции (см. рисунок ниже): данные с уровня приложений получают заголовок TСP, потом — заголовок IP, потом — еще заголовок Ethernet. Затем считается контрольная сумма всего созданного из этих заголовков и данных фрейма (FCS). Причем на каждом уровне абстракции мы используем еще и разные названия для структур данных: фрейм (кадр), датаграмма, пакет, сегмент. На уровне приложений, согласно модели OSI ISO, используется термин транзакция. Транзакцией могут быть DNS-запрос и ответ, HTTP-запрос и ответ, SQL-запрос и ответ, запрос и ответный видеопоток YouTube или IP-телефонии. В количестве транзакций в секунду измеряют производительность NGFW, ведь его уровень сборки и анализа информации — именно уровень приложений.
В операционной системе есть программа, реализующая стек TCP/IP, и она делит данные, полученные от вышестоящего приложения, на сегменты TCP и добавляет заголовок сегмента размером минимум 20 байт.
А какой максимальный размер данных с уровня приложений мы можем отправить в одном фрейме? Этот параметр называется TCP maximum segment size (MSS) — максимальная длина сегмента данных TCP. Он, в свою очередь, зависит от максимально возможной длины кадра, которая може�� быть передана без фрагментации, — maximum transmission unit (MTU). MTU составляет 1500 байт у стандартных фреймов Ethernet и 9000 — у jumbo-фреймов. Значение MSS — это длина фрейма минус длины всех заголовков. Если внутри фрейма есть сегменты TCP, то MSS = MTU − 40 = 1460 байт. Ориентируйтесь на длины заголовков на рисунке ниже:
Обычно MSS определяется во время TCP-рукопожатия с целевым узлом исходя из значений MTU. Однако промежуточный маршрутизатор (например, канал с меньшим MTU) может прослушивать пакеты TCP SYN и подменять значения MSS, анонсируемые конечными устройствами. Такое часто бывает, если где-то посередине есть VPN-канал. В результате конечные узлы «договариваются» о меньших MSS, и пакеты не приходится фрагментировать.
В итоге все эти заголовки и данные объединяются в единый фрейм для передачи, и его длина в сумме составляет 1518 байт. Ваши файлы, записи голоса и видео в виде нарезанных кусочков c размером MSS перемещаются в поле Payload.
Для визуализации передачи фреймов по сети воспользуюсь схемой ниже (заметьте, что в заголовке кадра адрес получателя идет первым, а в IP-заголовке впереди находится уже адрес источника) и рекомендую статью на русском у Артема Санникова или оригинал статьи на английском у Cisco
Практика. Если мы хотим скачать картинку PNG с web-сервера, сколько нам нужно фреймов?
Рекомендую запустить Wireshark и посмотреть, как это будет выглядеть на вашем компьютере. Например, на скриншоте ниже видно, что картинка PNG размером 22 КБ уместилась в 16 сегментах TCP.
Посмотрите, как расположены заголовки, какой в вашей TCP-сессии MSS и какие еще поля есть, например номер последовательности и TTL.
Сколько фреймов займет SSL-транзакция?
Я знаю, что дотошные люди хотят знать про MTU с VLAN, QinQ, MPLS
Очевидно, дотошные люди хотят знать про VLAN, QinQ, MPLS. Они задаются вопросом: а как меняется MTU между свитчами и роутерами при наличии тегов VLAN? А никак :) Показатель остается 1500. Стандарт 802.3AC увеличивает максимальный размер фрейма до 1522 байт, чтобы добавлять информацию о VLAN-тегах 802.1q и битах COS 802.1p. А вот при QinQ нужно повышать MTU уже до 1504 байт. Приобщу для понимания картинку из более подробной статьи.
Вообще говоря, есть огромное количество стандартов IEEE 802.3 для Ethernet. Например, в стандарте 802.3AS максимальный размер фрейма уже 2000 байт (но не MTU).
Самое важное — знать, что как только размер MTU превышает возмо��ности среды передачи, то фреймы фрагментируются. Это плохо влияет на скорость передачи, лучше так не делать. Если вы не знаете, какое значение MTU нужно использовать, то можете протестировать соединение и найти показатель, при котором начинается фрагментация:
ping 10.20.1.11 -M do -s "$((1500-20-8))" -c 1 > MTU_validation.txt-M do — возвращает ошибку, если пакет ping фрагментирован. Здесь написан вариант ping для Linux при использовании ICMP-пакетов. В Windows применяйте ключи -f -l.
-s packetsize — размер данных:
o 1500 — тот показатель MTU, который хотите использовать;
o 20 — размер IP-заголовка;
o 8 — размер ICMP-заголовка.
TCP регулирует значения MSS, чтобы исключить фрагментацию фреймов.
Статья написана для тех, кто изучает сетевые технологии и их безопасность. Запустите у себя на компьютере wireshark и посмотрите как у вас выглядят сетевые соединения.
В продолжение рекомендую прочитать статью "Что меняется внутри фрейма Ethernet при передаче от роутера к роутеру?"