TCP分段与IP分片

Posted 2021-01-12 oxspirt

原文： ：https://www.jianshu.com/p/f9a5b07d99a2

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1、首先根据Ethernet II类型以太网帧格式可以得知，Ethernet II类型以太网帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节。（另外还有7字节前导同步吗＋1字节帧开始定界符是所有类型的以太网帧格式必要的）

以太网帧格式有四种类型，Ethernet II类型以太网帧格式是我通过WIRESHARK抓包后发现目前网络使用的帧格式类型。

 

Ethernet II

 

Ethernet II帧格式

一开始我有个问题就是，根据TCP/IP的传输流可以知道，HTTP响应报文是装到TCP报文的数据区，TCP报文又是装到IP报文的数据区，而最后IP报文是装到以太网帧的数据区中。为什么以太网帧的数据区最大长度为1500字节，而HTTP报文最终是放在以太网帧的数据区中，却没有限制HTTP报文的大小？

2、在WIRESHRAK抓包的时候会发现很多长度为1514的TCP报文，但是这个跟以太网帧的数据区最大长度为1518字节有什么关联吗？而且这个TCP长度为什么是1460而不是1500 ？

 

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以太网封装IP数据包的最大长度是1500字节，也就是说以太网最大帧长应该是以太网首部加上1500，再加上7字节的前导同步码和1字节的帧开始定界符，具体就是：7字节前导同步吗＋1字节帧开始定界符＋6字节的目的MAC＋6字节的源MAC＋2字节的帧类型＋1500＋4字节的CRC校验。
按照上述，最大帧应该是1526字节，但是实际上我们抓包得到的最大帧是1514字节，为什么不是1526字节呢？原因是当数据帧到达网卡时，在物理层上网卡要先去掉前导同步码和帧开始定界符，然后对帧进行CRC检验，如果帧校验和错，就丢弃此帧。如果校验和正确，就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件（目的地址是自己的物理硬件地址、广播地址、可接收的多播硬件地址等），如果符合，就将帧交“设备驱动程序”做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据，因此，抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、CRC校验之外的数据，其最大值是6＋6＋2＋1500＝1514。
再说一下TCP报文内部的结构。
一个完整的数据包格式，是数据帧｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝，如前所述｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝部分最大是1500字节。那么根据目前的IPv4协议，有如下规定：
IP首部，版本：4 ，包含源、目的IP、首部校验和，TTL等，共计20个字节。TCP首部，包含源、目的端口，一系列指针、标志、校验和等，共计20字节，因此实际可用的数据为1500-20-20=1460字节。

上面就解释了抓包中的1514和1460的来历。简单来说就是1514指的是以太网帧去除掉一些符号位后的最大长度；1460指的是以太网帧的数据区去除掉TCP和IP的首部后所能存储的最大数据长度，即是HTTP的整个请求或者响应报文。

3、最后再来回答为什么以太网帧的数据区最大长度为1500字节，而HTTP报文最终是放在以太网帧的数据区中，却没有限制HTTP报文的大小？

TCP分段与IP分片
我们在学习TCP/IP协议时都知道，TCP报文段如果很长的话，会在发送时发生分段，在接受时进行重组，同样IP数据报在长度超过一定值时也会发生分片，在接收端再将分片重组。

我们先来看两个与TCP报文段分段和IP数据报分片密切相关的概念。

MTU（最大传输单元）
MTU前面已经说过了，是链路层中的网络对数据帧的一个限制，依然以以太网为例，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。

MSS（最大分段大小）
MSS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。

到了这里有一个问题自然就明了了，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。

总结：UDP不会分段，就由IP来分。TCP会分段，当然就不用IP来分了！

另外，IP数据报分片后，只有第一片带有UDP首部或ICMP首部，其余的分片只有IP头部，到了端点后根据IP头部中的信息再网络层进行重组。而TCP报文段的每个分段中都有TCP首部，到了端点后根据TCP首部的信息在传输层进行重组。IP数据报分片后，只有到达目的地后才进行重组，而不是向其他网络协议，在下一站就要进行重组。

最后一点，对IP分片的数据报来说，即使只丢失一片数据也要重新传整个数据报（既然有重传，说明运输层使用的是具有重传功能的协议，如TCP协议）。这是因为IP层本身没有超时重传机制------由更高层（比如TCP）来负责超时和重传。当来自TCP报文段的某一段（在IP数据报的某一片中）丢失后，TCP在超时后会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据报（可能有多个IP分片），没有办法只重传数据报中的一个数据分片。

所以之所以却没有限制HTTP报文的大小，是因为在传输层中已经由TCP对HTTP报文做了分段传输，达到目标地址后再对所有TCP段进行重组。

下面看一个HTTP包可知，如果HTTP报文过大，会由TCP自动进行分段，这个过程对于应用层来说是透明的。

 

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作者：晚歌y
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