IP分片

Posted 2021-02-16 lujiango

物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接受到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获得其MTU（最大传输单元：Maximum Transmission Unit，通常与通信接口有关，单位：字节）。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分配。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

把一份IP数据包分片以后，只有到达目的地才进行重新组装（这里的重新组装与其他网络协议不同，他们要求在下一站就进行重新组装，而不是在最终的目的地）。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（TCP和UDP）是透明的。已经分片过的数据报有可能会再次进行分片（可能不止一次）。IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中。标志字段用其中一个比特来标示“更多的片”。除了最后一片，其他每一组成数据报的片都要把该比特置为1.片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

最后，标志字段中有一个比特称作“不分片”位。如果将这一比特置1，IP将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文给起始端。
当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会丢失，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

尽管IP分片过程看起来是透明的，但有一点让人不想使用它：即使只丢失一片数据也要重传整个IP数据报。为什么会发生这种情况呢？因为IP层本身没哟超时重传的机制--由更高层来负责超时和重传（TCP有超时和重传机制，但UDP没有）。当来自TCP报文段的某一片丢失后，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。没有办法只重传数据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的。就这个原因，经常要避免分片。
使用UDP很容易导致IP分片，而TCP试图避免分片（但对于应用程序来说几乎不可能强迫TCP发送一个需要进行分片的长报文段）。
在一个以太网上，数据帧的最大长度是1500字节，其中1472字节留给数据，假定IP首部为20字节，UDP首部为8字节。
例如，分别以数据长度为1471,1472,1473和1474字节运行sock程序，最后两次应该发生分片：

（1）前两份UDP数据报能装入以太网数据帧，没有被分配。，但是对应于写1473和1474字节的IP数据报长度为1501和1502，就必须进行分片。
（2）当IP数据报被分片后，frag 26304和frag 26313指的是IP首部中标示字段的值，冒号和@号之间的1480是除IP首部外的片长。两份数据报第一片的长度均为1480：UDP首部8字节，用户数据1472字节（加上IP首部20字节正好为1500字节）。
（3）第一份数据报的第2片只包含1字节数据，第二份数据报的第2片只包含2字节的数据。
（4）位于@后的数字是从数据报开始处计算的片偏移值。跟在偏移值后面的加号对应于IP首部中3bit标志字段中的“更多片”比特。设置这一比特的目的是让接收端知道什么时候完成所有的分片组装。
（5）注意4和6行省略了协议名UDP，源端口和目的端口号协议名可以打印出来，因为它在IP首部并被复制到各个片中，但是，端口号在UDP首部，只能在第1片中被发现。任何运输层首部只出现在第一片数据中。
在分片时，除了最后一片外，其他每一片中的数据部分（除了IP首部外的其他部分）必须是8字节的整数倍。
IP数据报时指IP层端到端的传输单元（在分片之前和重新组装之后），分组是指IP层和链路层之间传送的数据单元。一个分组可以使一个完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。