MTU, MSS, Payload 정의 및 패킷 단편화 동작 방식

 

MTU (Maximum Transmission Unit)

이더넷 프레임 (Ethernet Frame)을 제외한 IP 프로토콜 기준으로 전송 및 수신할 수 있는 최대 크기

 

MTU에서 IP 헤더 (20Byte 이상)를 제외한 부분이 IP Payload 크기

 

기본적으로 MTU는 1500으로 설정되어 되어 있음

 

 

Jumbo Frame

1990년대 이더넷 표준이 제정될 당시에는 기술이 부족해 회선의 품질이 조악하여 데이터 전송중 오류가 많이 발생하였기에 MTU를 최대 1500 Byte면 충분하다고 생각하였다.

 

다만, 현대에는 회선의 품질이 향상되고 오류가 잘 발생하지 않으므로 1GB 데이터를 1500 Byte씩 잘게 쪼내는 것보다 좀 더 크게 쪼개는 것이 효율적이라는 의견이 나왔고 점보프레임이 나오게 되었다.

 

점보프레임이란 한 번에 전송하는 데이터 프레임의 크기를 늘려서 전송하는 기술로써 같은 자료를 조금 더 큰 단위로 쪼개어 전송하므로 전송 속도가 향상하게 된다.

 

한 번에 전송하는 데이터 프레임의 크기를 늘려서 전송하는 기술로 같은 자료를 조금 더 큰 단위로 쪼개어 전송하므로 전송 속도가 향상된다.

 

현재 점보프레임을 이용할 때, 9000 Byte를 기준으로 하는 MTU를 사용하며, 이는 산업 표준이다.

 

9000 Byte 미만까지 지원하는 장비도 있고, 그 이상을 지원하는 장비도 있으나 기준은 어디까지나 9000 Byte이다.

 

점보프레임을 사용하려면 스위치와 NIC에서 모두 지원해야 하고 점보프레임으로 인한 성능 향상을 기대하려면 1G 환경이 아닌 10G 환경은 되어야 한다.

 

 

MSS (Maximum Segment Size)

TCP 프로토콜 기준으로 전송 및 수신할 수 있는 최대 크기

 

MSS에서 TCP 헤더(20Byte 이상)를 제외한 부분이 TCP Payload 크기

 

 

Payload

Payload란 전송되는 데이터를 의미하고 데이터를 전송할 때, 헤더와 메타데이터, 에러 체크 비트등과 같은 다양한 요소들을 함께 보내어 데이터 전송의 효율과 안정성을 높이게 되는데 이 때, 보내고자 하는 데이터가 바로 페이로드이다.

 

 

👉  우리가 흔히 택배 배송을 보낸다고 하면 택배 물건이 페이로드이고 송장, 박스, 뽁뽁이와 같은 완충재 등은 부가적인 것으로 페이로드가 아님

 

[+] Payload 용어 유래

 

페이로드라는 용어는 큰 데이터 덩어리 중에 '흥미 있는' 데이터를 구별하는 데 사용되며, 이 용어는 운송업에서 비롯하였는데 지급(Pay) 해야 할 적화물(Load)를 의미한다.

 

예를 들어, 유조선이 20톤의 기름을 운반한다면 총 무게는 차체, 항해사, 기름 등의 무게 때문에 그것보다 더 될 것이고 이 모든 무게를 운송하는데 비용이 들지만 고객은 오직 기름의 무게만을 지급(Pay)하게 된다.

 

따라서, ‘Pay-Load’란 말이 나온 것이다.

 

 

[+] MTU와 MSS의 관계

 

TCP는 IP 프로토콜의 상위 레이어 프로토콜로 아래와 같은 연관성이 있다.

 

MSS = MTU – ( IP 헤더 크기 + TCP 헤더 크기)

 

👉  1460 [MSS] = 1500 [MTU] - ( 20 [IP] + 20 [TCP] )

 

만약에, 터널링 프로토콜을 사용중이라면 MSS는 1440 Byte 이다.

 

[+] BPS와 실제 데이터 전송속도

 

흔히 인터넷 전송속도를 이야기할 때, 100Mbps (백메가 광랜), 500Mbps (슬림 기가 광랜), 1Gbps (기가 광랜)으로 표현하는데 위의 ‘MTU와 MSS의 관계’ 에서 보듯이 헤더라는 영역이 존재하기 때문에 실제 데이터를 주고 받는 속도는 100Mbps가 될 수 없다.

 

이 외에도 MCU의 구조 및 성능, 통신 기술, 프로토콜에 의한 동작 (ex. TCP에서의 재전송) 등의 부가적인 변수들이 있다.

 

만약에 대역폭 (BandWidth) 계산이 필요한 경우, 이러한 부분을 감안하여 설계해야 한다.

 

단편화 (Fragmemtation)

단편화를 설명하기 이전에 위에서 설명한 MTU를 다시 상기시켜 보자.

 

MTU란 말했듯이 네트워크에 연결된 장치가 받아들일 수 있는 최대 데이터 패킷 크기를 말한다.

 

예를 들어, 지하 도로나 터널의 높이 제한처럼 생각할 수 있는데, 높이 제한보다 높은 차량은 이를 통과하지 못하는 것처럼 네트워크의 MTU보다 큰 패킷은 해당 네트워크를 통과할 수 없을 것 같지만 (현실의) 차량과는 달리 (인터넷의) MTU보다 큰 데이터 패킷은 작은 조각으로 잘라 MTU 크기에 맞출 수 있는데, 이 과정을 단편화 라고 한다. (분할된 패킷은 목적지에 도착하면 재조립된다)

 

서버의 MTU 값은 연결된 스위치 포트에 설정된 MTU 값과 일치해야 하며, MTU 값이 틀리다면 네트워크 성능 문제 또는 패킷 손실이발생할 수 있다.

 

단, 라우터에서는 MTU 값이 일치하지 않더라도 단편화를 통해 패킷이 전달되기에 손실은 발생하지 않으나 패킷 헤더의 DF (Don’t Fragment) Bit 값이 1이면 단편화 할 수 없으므로 패킷 손실이 발생한다. → 해당 패킷을 누락시킨 뒤 패킷을 보낸 곳에 ICMP 메시지를 보낸다.

 

DF Bit값이 0이고, 수신된 패킷의 MTU가 라우터 포트에 설정한 값보다 크다면 단편화를 하게 되고 단편화된 패킷의 첫 번째 패킷의 IP 헤더의 MF값은 1, Offset은 0이며 두 번째 패킷부터는 MF 값이 1로 고정이고 offset 값이 계속해서 증가하게 된다.

 

마지막으로 단편화된 패킷의 IP 헤더의 MF Bit 값은 0이고 받는 Host에서 MF와 offset 값을 이용하여 조립을 하게 된다.

 

 

👉   처음 패킷 → MF=1, offset=0 ,   중간 패킷 → MF=1, offset=xxxx,    마지막 패킷 → MF=0, offset=yyyy

 

참고로 단편화된 패킷의 IP 헤더에 있는 ID [identification] 필드 값은 전부 동일한데, 이는 단편화되는 수많은 패킷들을 구분하기 위한 일련번호라고 생각하면 된다.

 

패킷 단편화 원리

 

 

모든 네트워크 라우터는 수신하는 모든 IP 패킷의 크기를 이 패킷을 받게 될 Next Hop 라우터의 MTU와 비교한다.

 

패킷이 다음 라우터의 MTU보다 크면 이 라우터는 페이로드를 두 개 이상의 패킷으로 단편화하고 각각 헤더를 더하게 된다.

 

페이로드를 두 개 이상의 패킷으로 단편화하고 각각의 단편화된 패킷에 IP 헤더를 붙이기 전에 수신하는 Host에서 해당 패킷이 단편화 되어 재조립이 필요하다는 사실과 재조립하기 위한 정보를 알리기 위해 헤더 내용을 바꾸어 붙이게 된다.

 

위처럼 컴퓨터 A가 서버 A로 패킷을 전송하면 라우터 B,C를 통해 라우팅되는데 서버 A, 컴퓨터 A, 라우터 B 모두 MTU가 1500 Byte인 반면에 라우터 C는 1400 Byte이다.

 

라우터 B는 수신된 패킷의 Next Hop이 Router C이고, 수신된 패킷의 MTU와 Router C의 MTU를 비교하였더니 Router C의 MTU 값이 작으므로 수신된 패킷을 단편화 하게 된다.

 

 

패킷 단편화가 불가능한 경우

IPv6는 패킷 단편화를 허용하지 않는다.

 

패킷의 IP 헤더에 “Don’t Fragment” 플래그가 활성화되어 있는 경우, 단편화 할 수 없다.

 

 

 

[Note] MTU 값은 큰 게 좋을 까?, 작은 게 좋을 까?

 

위에서도 말했듯이 MTU 값을 점보프레임 수준으로 설정한다면 특히, 10Gbps 로컬 네트워크 환경에서는 확실한 성능 향상을 기대할 수 있으나 인터넷 환경에서는 수많은 라우터를 거쳐서 가기 때문에 라우터에 설정된 MTU 값보다 큰 경우 단편화를 하게 되고 단편화된 패킷을 재조립하는 오버헤드가 뒤따르게 된다.

 

그렇다고 MTU 값을 낮게 설정한다면 패킷이 많이 발생하고 헤더 및 송수신 확인에 따른 오버헤드가 발생하므로 각각의 인프라 환경에 맞추어 세팅해야 한다.

 

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Reference

https://organizingdata.tistory.com/28
https://www.cloudflare.com/ko-kr/learning/network-layer/what-is-mtu/
https://www.cloudflare.com/learning/network-layer/what-is-mss/
https://sosmt.tistory.com/96
https://f1angel.tistory.com/157

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MTU(Maximum Transmission Unit)와 MSS(Maximum Segment Size) 이해 및 관계