tcp分片和ip分片的区别

Posted 2023-03-31

参考技术A

我们在计算机网络上所看到的分片一般是指ip分片，ip分片是指在网络传输过程中若遇到链路MTU比自己报文小的情况则进行分片。

MTU是链路层中的网络对数据帧的一个限制，以以太网为例，MTU为1500个字节。一个IP数据报在以太网中传输，如果它的长度大于该MTU值，就要进行分片传输，使得每片数据报的长度小于MTU。分片传输的IP数据报不一定按序到达，但IP首部中的信息能让这些数据报片按序组装。IP数据报的分片与重组是在网络层进完成的。

占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。但这个“标识”不是序号，因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。

标志（flags）占用3位（即16 - 18），这三位分别是：R，DF，MF三位，第一位是保留位，没有被使用，目前只有后两个比特有意义。
R：标志字段中的第一位是一个保留位，现在还没有使用，可能将来会用到这位
D：标志字段中间的一位是 DF (Don’t fragment)，表示传输的数据不允许分片。一般DF = 1的话，表示数据一次性传输过去，不允许分片。
M：标志字段的最低位是 MF (More fragment)。代表数据是否分片，如果MF位值为1，表示后面还有数据，还没有传输完毕，相当于数据分片，分批次传输，如果MF = 0表示最后一个分片或者只有一个分片。
这三位同一时刻也是只能有一个位的值能设置为1

占用13位：每次分片传输的数据之间的偏移距离，也就是某分片的数据在原数据中的相对位置，一般偏移以8字节为单位。比如：在网络层传输的ip数据报总长度最大不能超过65535字节，如果超过了，要么对ip数据报进行分片传输，否则将丢弃。
互联网协议使网络互相通信。设计要迎合不同物理性质的网络; 它是独立于链路层使用的基础传输技术。具有不同硬件的网络通常会发生变化，不仅在传输速度，而且在最大传输单元（MTU）。当一个网络要的数据报发送到具有较小MTU的一个网络，它可能片段的数据报。
当路由器收到一个数据包时，它会检查目的地址，并确定出接口使用，并且该接口的MTU。如果分组的大小是比MTU大，并且在该分组的头中的不分段（DF）位被设置为0，则路由器可对其进行分片。
分片机制有一定的缺陷：分片越多，分片丢失的机率就越大，对于一个数据报，一旦一个分片丢失，那么整个数据报就要重传；每一个数据报都要复制报头（只复制ip包头），这在一定程度上增加了带宽消耗。

组装时，需要重新设置首部的某些字段
修改分片标志和片偏移量字段
首部其他字段复制原来数据报首部的相应字段。

在IP头里面有16bit的识别号唯一记录了一个IP包的ID,以确定这几个分片是否属于同一个包，具有同一个ID的IP分片将会从新组装。13bit的片偏移记录了一个IP分片相对于整个包的位置。3bit的标志位记录了该分片后面是否还有新的分片。这三个分片组成了IP分片的所有的信息。

1.如果在源主机的以太网上进行数据包装，且tcp/udp向ip传送的数据包大于MTU1500字节，将在ip层进行分片。
2.在数据在数据链路（路由器）中传输的时候，每个路由器的MTU不一定相同，如果其中一个MTU只为800，则会触发ip分片，将1500字节的数据包拆成两个符合长度的数据包（但不一定会分片，由ip首部的两个标志位MF：More Fragment 和DF：Don\'t Fragment决定）如果是DF被设置，将会触发ICMP协议，将当前数据包丢弃，并把当前路由的MTU回传给源主机。

MSS(Maximum Segment Size，最大报文长度)是TCP里的一个概念（首部的选项字段中）。MSS是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段，TCP报文段的长度大于MSS时，要进行分段传输。TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值，每一方都有用于通告它期望接收的MSS选项（MSS选项只出现在SYN报文段中，即TCP三次握手的前两次）。MSS的值一般为MTU值减去两个首部大小（需要减去IP数据包包头的大小20Bytes和TCP数据段的包头20Bytes）所以如果用链路层以太网，MSS的值往往为1460。而Internet上标准的MTU（最小的MTU，链路层网络为x2.5时）为576，那么如果不设置，则MSS的默认值就为536个字节。很多时候，MSS的值最好取512的倍数。TCP报文段的分段与重组是在运输层完成的。
TCP在建立连接时进行三次握手，前两个握手包中双方互相声明自己的MSS，客户端声明MSS=8960，服务器端声明了MSS=1460。三次握手之后，客户端的MTU值比服务器端大，如果发送一个9000字节的包过去可能被分片或丢弃。因此客户端会把自己的MSS也降到1460字节。
TCP分段的原因是MSS，IP分片的原因是MTU， 由于一直有MSS<=MTU，很明显，分段后的每一段TCP报文段再加上IP首部后的长度不可能超过MTU，因此也就不需要在网络层进行IP分片了。 因此TCP报文段很少会发生IP分片的情况。
再来看UDP数据报， 由于UDP数据报不会自己进行分段，因此当长度超过了MTU时，会在网络层进行IP分片。 同样，ICMP（在网络层中）同样会出现IP分片情况。

TCP在三次握手建立连接过程中，会在SYN报文中使用MSS（Maximum Segment Size）选项功能，协商交互双方能够接收的最大段长MSS值。
MSS是传输层TCP协议范畴内的概念，顾名思义，其标识TCP能够承载的最大的应用数据段长度，因此，MSS=MTU-20字节TCP报头-20字节IP报头，那么在以太网环境下，MSS值一般就是1500-20-20=1460字节。
客户端与服务器端分别根据自己发包接口的MTU值计算出相应MSS值，并通过SYN报文告知对方。

IP分片产生的原因是网络层的MTU；TCP分段产生原因是MSS
IP分片由网络层完成，也在网络层进行重组；TCP分段是在传输层完成，并在传输层进行重组
对于以太网，MSS为1460字节，而MUT往往会大于MSS
故采用TCP协议进行数据传输，是不会造成IP分片的。若数据过大，只会在传输层进行数据分段，到了IP层就不用分片。而我们常提到的IP分片是由于UDP传输协议造成的，因为UDP传输协议并未限定传输数据报的大小。

TCP的分片和IP分片的区别
TCP的分片和IP分片的区别
MTU和MSS详解

TCP UDP 分段 IP分片

参考技术A udp ip学习博客

3次握手4次挥手

链路层 MTU 最大传输单元 1500 MISS最大分段

TCP 层     数据  tcp +Data

TCP+MISS+id2

D1<MISS

ip +TCP+D1+id2

tcp+D1+id2

tcp一段一段(D1)传 传成功了在传第二段(D2)  数据编号id1

包活计时器  2h    2h后没有对方确认收到  每75秒之后会发送探测包 发送10次 还是没有回应 则失败

UDP（用户数据报协议）-短信

只管发送，不确认对方是否接收到

将数据及源和目的封装成数据包中，不需要建立连接

每个数据包的大小限制在64K之内

因为无需连接，因此是不可靠协议

不需要建立连接，速度快

应用场景： 视频直播,游戏LOL

TCP（传输控制协议）

建立连接，形成传输数据的通道

在连接中进行大数据传输（数据大小不收限制）

通过三次握手完成连接，是可靠协议，安全送达

必须建立连接，效率会稍低

数据链路层 不能大于1500个字节 数据太多必须分片

我们知道，当应用层程序之间进行网络数据传输时，在发送端，数据会从应用层沿着协议栈向下传输，通过TCP/IP层，然后经由链路层发送出去，而在接收

端，则是相反的顺序，数据经由链路层接收，然后沿着协议栈向上传输，通过IP/TCP层，最后由应用层程序进行读取。

而在IP层往链路层传输数据的时候，往往会做一个分片的操作，对于大多数链路层来讲，它都有一个最大传输单元（MTU），表示能够发送数据量的大小，它是由硬件决定的。比如以太网的MTU为1500字节。当IP层传输给链路层的数据量大于其MTU时，那么IP层就会将数据拆分为小于其链路层MTU的数据片，再传输给链路层进行发送 ,但是对于不同的传输层协议（TCP/UDP）来说，在IP层上，需不需要进行分片是不同的

TCP层的分片

对于TCP来说，它是尽量避免分片的，为什么？因为如果在IP层进行分片了话，如果其中的某片的数据丢失了，对于保证可靠性的TCP协议来说，会增大重传,数据包的机率，而且只能重传整个TCP分组（进行IP分片前的数据包），因为TCP层是不知道IP层进行分片的细节的，也不关心。

当TCP层进行TCP分组的重传后，还会直接影响到应用层程序的性能，特别是在应用程序使用阻塞IO进行读写的时候。要理解这点，首先我们要知道当

应用层程序往TCPIP协议栈写数据的时候都做了些什么事。

在应用层程序中，我们可以有自己的发送缓冲区，而TCP层本身也有自己的一个发送缓冲区，默认情况下一般是8k大小，可以通过SO_SNDBUF设置或读取。 当我们在应用层往TCP层写数据的时候，实际上是将应用层发送缓冲区的数据拷贝到TCP层的发送缓冲区中。当TCP层的发送缓冲区满或者网络空闲时，TCP层就 会将其缓冲区中的数据通过IP层传到链路层的发送队列中。如果TCP层的发送缓冲区满而且应用层的数据没有写完时，内核会将write系统调用挂起，并不返回给应用层程序，直到应用层的数据全部拷贝到TCP层的缓冲区中。而由于TCP层要保证数据包的可靠性，即数据包丢失时要进行重传，那么TCP层在往网络发送TCP分组后，需要在其发送缓冲区中暂时保存发出的TCP分组数据用于后续可能的重传。

在这样的前提下，如果IP对来自TCP层的数据进行了分片， 那么就有可能使得应用层程序一直在write系统调用处挂起等待，引起性能的下降。

TCP层如何避免IP层的分片

首先，我们先回顾下TCP建立连接的3次握手：

在这3次握手中，除了确认SYN分节外，通信的两端还进行协商了一个值，MSS，这个值用来告诉对方，能够发送的TCP分节的大小。这个值一般是取其链路层的MTU大小减去TCP头部大小和IP头部的大小。 MSS=MTU-TCP头部大小-IP头部大小.  MTU的值可以通过询问链路层得知。当两端确认好MSS后进行通信，当TCP层往IP层传输数据时，如果TCP层缓冲区的大小大于MSS，那么TCP层都会将其发送缓冲区中的数据切分成MSS大小的分组进行传输，由于MSS是通过MTU减去TCP头部大小和IP头部的大小计算得出的，MSS肯定比MTU小，那么到IP层的时候就可以避免IP层的分片。

UDP层的分片

如果我们采用的是UDP协议而不是TCP协议呢？在IP层会不会进行分片？由于UDP是不需要保证可靠性的，那么它就不会保存发送的数据包，TCP之所以保存发送的数据包是因为要进行重传。所以UDP本身是没有像TCP一样的发送缓冲区的。这就导致了对UDP进行write系统调用的时候，实际上应用层的数据是直接传输到IP层，由于IP层本身也不会有缓冲区，数据就会直接写到链路层的输出队列中。在这种情况下，IP层会不会对来自UDP的数据进行分片呢？这个取决于UDP数据报的大小。如果UDP数据报的大小大于链路层的MTU，那么IP层就会直接进行分片，然后在发送到链路层的输出队列中，反之，则不会进行分片，直接加上IP头部发送到链路层的输出队列中。

TCP/UDP实验

看完了理论，让我们实践一把，看是否与以上的理论相符。

对于TCP来说，它是尽量避免分片的。假设我们这里要发送给TCP层的数据大小为2748个字节，这个大小是明显大于链路层的发送数据的大小的，在这个情况

下我们来看，对于来自TCP层的数据，IP会不会进行分片。

从第一张图看来，应用层的2748个字节在TCP层就进行了分段，分层了两个TCP段，一个1460字节，一个1288字节。那么到IP层的时候，自然就不会在进行分片了。

从第二张图片看出，在这两个TCP分段中，在序号3处，IP的头部字段 （Don ' t Fragment） 被设置了，用于告诉IP层不要对该数据进行分片。

而对于MSS大小的协商，我们可以从下面这张图片看到，下面的图片是TCP CLIENT发出的第一个SYN TCP分段：

对于UDP来说，假设我们要发送的一个UDP数据包大小为1600个字节，那么在实际上通过UDP/IP分发出去的时候，会不会进行分片呢? 看如下的图片： 

从上面的图片可以看出，我们发送的数据包的大小为1600字节（序号1处），在UDP层，长度为1608字节（序号2处），这里的8个字节是UDP的头部字段的长度， 到了IP层（序号3处），我们可以清楚的看到IP对UDP数据包进行了分片，一个大小为1480字节，一个为128字节.

区别：

1.IP分片产生的原因是网络层的MTU；TCP分段产生原因是MSS.

2.IP分片由网络层完成，也在网络层进行重组；TCP分段是在传输层完成，并在传输层进行重组.   //透明性

3.对于以太网，MSS为1460字节，而MUT往往会大于MSS.

 故采用TCP协议进行数据传输，是不会造成IP分片的。若数据过大，只会在传输层进行数据分段，到了IP层就不用分片。

而我们常提到的IP分片是由于UDP传输协议造成的，因为UDP传输协议并未限定传输数据报的大小。