IP分片--为什么单次最大传输1472个字节

Posted 2023-02-02 Z小旋

前言

在使用UDP传输的时候，每次接收的最大字节数为1472个字节，然后数据就会被分包，重新进行发送，在进行数据接收的时候，经常会遇到本次数据还没有接收完，数据就被分包的情况，那么为什么是1472个字节对数据进行分片呢，我们下面做一个详细的介绍。

TCP/IP协议 数据传输封装过程

首先要看TCP/IP协议，涉及到四层：链路层，网络层，传输层，应用层。 　　
其中以太网（Ethernet）的数据帧在链路层

当我们应用程序用TCP/UDP传输数据的时候，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层，直到最后到物理层将数据帧转换成比特流，送入网络。而在这个过程中，每一层都会对要发送的数据加一些首部信息。整个过程如下图，每层数据向下传输时都会进行封装，帧有效数据来源于上级网络层。

　
　如图可以看出，每一层数据是由上一层数据+本层首部信息组成的，其中每一层的数据 ，称为本层的协议数据单元 ，即PDU.

• 应用层数据在传输层添加TCP报头后得到的PDU被称为 Segment(数据段 )，图示为TCP段
• 传输层的数据（TCP段）传给网络层,网络层添加IP报头得到的PDU被称为Packet(数据包); 图示为IP数据包
• 网络层数据报（IP数据包）被传递到数据链路层,
• 数据链路层数据称为Frame(数据帧)，图示为以太网帧。
• 最后,帧被转换为比特,通过网络介质传输。这种协议栈逐层向下传递数据,并添加报头和报尾的过程称为封装。

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报(datagram)，在链路层叫做帧(frame)。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

以太网数据帧

我们再来看下以太网数据帧的格式

• 目的物理地址(DMAC)：是目的MAC地址。长度为6个字节

• 源物理地址(SMAC)：是源MAC地址。长度为6个字节

• 类型( Ethernet II)： 用于标识以太网首部后面所跟数据包的类型。

• 数据部分(Payload)：数据也叫有效载荷，这是网络层传递给数据链路层的帧，其长度为 46-1500 Bytes。

• 数据校验字段(CRC)，用于存储 CRC(循环冗余校验)结果的帧的帧尾。

以太网帧的长度在64-1518字节之间。

最小数据帧：6（目的MAC） + 6（源MAC) +2(类型）+ 46（数据帧） + 4 （CRC) = 64 字节

最大数据帧：6（目的MAC） + 6（源MAC) +2(类型）+ 1500（数据帧） + 4 （CRC) = 1518 字节

UDP传输

UDP是面向数据报的传输层协议，即进程的每个输出操作刚好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。

UDP数据报封装成IP数据报的格式如图所示：

UDP首部

UDP首部格式如图所示：

• 端口号表示发送进程和接收进程。（IP数据报根据协议字段值区分是UDP或TCP）
• UDP长度字段是UDP首部和UDP数据的字节长度。最小值为8，即可以发送一份数据长度为0字节的UDP数据报
• UDP校验和覆盖UDP首部和UDP数据。（IP数据报中校验和是首部校验和，不涉及数据）UDP的校验和是可选的，而TCP的校验和是必须的。

MTU

其次我们要了解什么是MTU，Maximum Transmission Unit（MTU）：最大传输单元。

MTU的含义: MAC帧内的数据(Payload)字段的最大长度。就是单次传输中能够传输的最大数据长度

对于以太网来说。其单次传输数据帧最大长度为1500字节

问题解决：

在应用程序中我们用到的数据Data的长度最大是多少，直接取决于底层的限制。

根据上面的知识，我们可以分析一下：

1. 在链路层，由以太网的物理特性决定了数据帧的长度为64 (46＋18) ~ 1518 (1500＋18)，其中的18是数据帧的头和尾，也就是说数据帧的内容最大为1500(不包括帧头和帧尾)，即MTU(Maximum Transmission Unit)为1500；
2. 在网络层，因为IP包的首部要占用20字节，所以这的MTU为1500－20＝1480；
3. 在传输层，对于UDP包的首部要占用8字节，所以这的MTU为1480－8＝1472；

所以，在应用层，数据Data最大长度为1472。当我们的UDP包中的数据多于MTU(1472)时，发送方的IP层需要分片fragmentation进行传输，而在接收方IP层则需要进行数据报重组，由于UDP是不可靠的传输协议，如果分片丢失导致重组失败，将导致UDP数据包被丢弃。

IP分片带来的问题

IP分片其实在网络中是一种比较糟糕的情况，带来了几个问题

• 传输效率降低：分片会降低传输效率,接收方IP层则需要进行数据报的重组

• 丢包：由于UDP的特性,当某一片数据传送中丢失时，那其余接收到的数据就没任何意义了，组不成一个完整的数据包，将导致丢弃整个UDP数据报