IP分片与组装

Posted 2021-07-16 我要出家当道士

  摘要

      下面将主要介绍ip的分包与组包；分包的思路很简单，难点在于组包的逻辑设计。

  IP分片的原因

      简单的来说，数据链路层规定了物理网络的最大传输单元 MTU，这个值体现了设备的网络收发能力，该值因设备而异，默认值为 1500 个字节。网络层收到传输层的数据报后需要先判断往哪个网卡发包，并获取该网卡的 MTU值，如果数据包长度大于 MTU，则需要将数据包分片。

  如何进行分片

      首先讲一下分片的规则，以 UDP 数据报为例（图画的比较粗略，读者别计较协议头部的长度比例呀），假设下图中 data0 长度 大于 MTU，在发送的时候 ip 会将该包进行分片，分成如下两个包（假设分两个包就可以了，分包数量根据 UDP 数据报长度而定），则满足 data0 = data1 + data2.而且UDP头部只在第一个包中出现，之后的包不再添加 UDP 头部；另一方面 IP 头部是必须加在每个数据包的前面的。这是因为 ip 分片之后的每个 fragment 都会独立的在互联网中传输，所以 ip 是必须的。

  如何进行组装

      组装 ip fragment 需要用到 ip 头部中的 Identification、Source Address、Destination Address、Flags 和 Fragment Offset 字段。 ip 头部结构与这几个字段的释义如下。接收端通过 （Identification，Source Address、Destination Address）三元组可以唯一的确定 IP 包的身份，属于同一个 IP 包的 fregment，具备同一个三元组。之后通过 DF 与 MF 可以判断是否分包，以及后续是否还有 fragment。Fragment Offset 字段用于重组包时进行排序使用，使用时注意该值的单位是 8 byte，举个例子：该值为100时，说明需要偏移 800 byte。

字段	释义
Identification	标识，主机每发一个报文，加1，分片重组时会用到该字段。
Flags	标志位，分为 0、DF 和 MF。DF（Don’t Fragment）：能否分片位，0表示可以分片，1表示不能分片；MF（More Fragment），表示是否该报文为最后一片，0表示最后一片，1代表后面还有。
Fragment Offset	片偏移：分片重组时会用到该字段。表示较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。以8个字节为偏移单位。
Source Address	源IP地址。
Destination Address	目的IP地址。

  实现思路（DPDK）

      下面简单介绍 DPDK 中分片与组装的思路。通过三元组建立 hash 表以快速的找到接收端未完成组装的包，未完成组装的包都存放在链表当中（新接收的数据包放尾部），如果完成组装后是释放响应的资源。如果链表满了，则删除链表头部已经过时的数据包。