IP分片浅析 - Glacier

在TCP/IP分层中，数据链路层用MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）来限制所能传输的数据包大小，MTU是指一次传送的数据最大长度，不包括数据链路层数据帧的帧头，如以太网的MTU为1500字节，实际上数据帧的最大长度为1512字节，其中以太网数据帧的帧头为12字节。

当发送的IP数据报的大小超过了MTU时，IP层就需要对数据进行分片，否则数据将无法发送成功。

IP分片的实现

IP分片发生在IP层，不仅源端主机会进行分片，中间的路由器也有可能分片，因为不同的网络的MTU是不一样的，如果传输路径上的某个网络的MTU比源端网络的MTU要小，路由器就可能对IP数据报再次进行分片。而分片数据的重组只会发生在目的端的IP层。

在IP首部有4个字节是用于分片的，如下图所示。前16位是IP数据报的标识，同一个数据报的各个分片的标识是一样的，目的端会根据这个标识来判断IP分片是否属于同一个IP数据报。中间3位是标志位，其中有1位用来表示是否有更多的分片，如果是最后一个分片，该标志位为0，否则为1。后面13位表示分片在原始数据的偏移，这里的原始数据是IP层收到的传输的TCP或UDP数据，不包含IP首部。

需要注意的，在分片的数据中，传输层的首部只会出现在第一个分片中，如下图所示。因为传输层的数据格式对IP层是透明的，传输层的首部只有在传输层才会有它的作用，IP层不知道也不需要保证在每个分片中都有传输层首部。所以，在网络上传输的数据包是有可能没有传输层首部的。

避免IP分片

在网络编程中，我们要避免出现IP分片，那么为什么要避免呢？原因是IP层是没有超时重传机制的，如果IP层对一个数据包进行了分片，只要有一个分片丢失了，只能依赖于传输层进行重传，结果是所有的分片都要重传一遍，这个代价有点大。由此可见，IP分片会大大降低传输层传送数据的成功率，所以我们要避免IP分片。

对于UDP包，我们需要在应用层去限制每个包的大小，一般不要超过1472字节，即以太网MTU（1500）—UDP首部（8）—IP首部（20）。

对于TCP数据，应用层就不需要考虑这个问题了，因为传输层已经帮我们做了。在建立连接的三次握手的过程中，连接双方会相互通告MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度），MSS一般是MTU—IP首部（20）—TCP首部（20），每次发送的TCP数据都不会超过双方MSS的最小值，所以就保证了IP数据报不会超过MTU，避免了IP分片。

IP分片实例

1. UDP

从10.224.142.166向10.137.133.101发送3000字节的UDP数据，抓包的结果如下图。从图中可以看到这个UDP数据包被分成了3个IP片，从各分片的偏移量可以看出，3片包含的UDP数据大小分别是1480、1480、48（加上UDP首部8个字节），各分片加上IP首部的大小分别就是1500、1500、68，传送的总的UDP数据大小为3008，由此也看出只有一个分片包含UDP首部。

2. TCP

从10.224.142.166向10.137.133.101发送2000字节的TCP数据，抓包的结果如下图。从图中可以看出TCP数据被分成了2个IP片，包含的数据大小分别为1448、552，从三次握手可以看出双方通告的MSS都是1460字节，刚好是MTU（1500）—IP首部（20）—TCP首部（20），但实际为什么第一个分片只发送了1448字节呢，个人觉得应该是TCP首部还有一些选项占用了12个字节，也请知道的达人解释一下。

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