IP协议分片重组问题

分片是什么&&为什么会有分片

IP数据报分片的主要目的是为了防止IP数据报文长度超过下一跳链路MTU(最大传输单元)。

数据链路层之MTU

数据链路层中有一个东西叫做MTU（最大传输单元），它的作用主要是控制上层给的数据报不要太大，大的数据报文在网络内传输时会占用过多带宽资源,使其它报文的转发效率下降，通过MTU来限制数据报文，根据MTU将数据报文分片以减少数据碰撞的发生。
每种数据链路的最大传输单元 MTU 都是不相同的，如 FDDI 数据链路 MTU 4352、以太网的 MTU 是 1500 字节等。
每种数据链路的 MTU 之所以不同，是因为每个不同类型的数据链路的使用目的不同。使用目的不同，可承载的 MTU 也就不同。
其中，我们最常见数据链路是以太网，它的 MTU 是 1500 字节。
那么当 IP 数据包大小大于 MTU 时， IP 数据包就会被分片。
经过分片之后的 IP 数据报在被重组的时候，只能由目标主机进行，路由器是不会进行重组的。
假设发送方发送一个 4000 字节的大数据报，若要传输在以太网链路，则需要把数据报分片成 3 个小数据报进行传输，再交由接收方重组成大数据报。即1500，1500，1000三个数据报

工作原理

得先了解报文结构

IP报文特性

IP 包全长由头部中的 总长度 字段决定，该字段共 16 位，因此一个 IP 包最大可达 65535 字节。除去头部 20 字节，IP 包最多可承载 65515 字节的数据：

在这里插入图片描述

如果IP 头部带有可选选项，长度就不止 20 字节了，但最大60字节。以上关于IP报文详细结构可以看这篇。，同理，数据的携带就会相应变少。

在观察IP数据报文的特性之后我们发现：

一个 65535 字节的 IP 报文，显然不可能在运输能力只有 1500 字节的以太网帧或任意一个数据链路层协议帧中。

发送端分片简单原理

在这里插入图片描述
我们从上至下讲：

TCP报文询问IP，IP询问数据链路层MTU是多少，数据链路层返回1500。
IP得到MTU=1500，因为IP报头需要最少20字节，所以，给TCP的回复是1480。
TCP得到回复MTU=1280，由于TCP报头最少要20字节，故根据MTU，TCP留给数据的空间就是1460字节。
TCP再根据对端发来的接收端窗口大小，if 接收端窗口.size() < MTU.size() ，则最终TCP数据报文的大小 = 接收端窗口大小，else TCP数据报文的大小 = 1460。
说到这里大致就明朗了，IP其实没有进行分片的机会！！！为什么呢？
- 主要是因为分片降低网络性能
  - TCP在传输层通过滑动窗口以及和对端商量好了发送数据的大小，你IP又在网络层分一次，干嘛不直接在传输层做完呢，这就可以提高效率了。TCP两件事都给做了，这个过程叫做分段。
  - 另外，如果IP分片了，数据在传输过程中出现了丢包，可TCP是IP的上层，是不知道IP分片了，分了几片的，所以触发了超时重传等机制，TCP就不得不把整个丢失的包进行重发，但实际丢掉的是IP分片之后的一部分数据包。那么，网络设计者觉得与其让IP分片，不如TCP把这事做了，丢包了也只需要重传一小部分，而不是像上面那样重传整个数据包。
  - 同时，如果在IP分片，每一个分片又得带上相差无几的报头，浪费！
  - 所以，不如在传输层全部做好，IP只需要做一件事情——>添加自己的报头，转发报文给数据链路层就完成工作了！！！
  - 所以，TCP把分片的工作给抢了，这种机制叫做MSS（最大分段大小），防止IP分片
    
    故此，提出一个概念：
    - IP协议负责数据包的地址标注与传输，他是传输策略的执行者
    - TCP协议则建立连接,管理流量和错误校验,保证了数据传输的可靠性，他是传输策略的制定者

发送端分片详细原理

这里强烈建议去熟悉IP报文结构
IP 包头部中有 3 个与分片相关的字段，分别是：
在这里插入图片描述

16位标识： IP 包的 ID ，全局自增，短时间内不会重复，主机发送的报文的唯一标识. 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的.
3位标志位：
- 第一位：DF - Don’t Fragment 位，为1表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过MTU, IP模块就会丢弃报文.
- 第二位：MF - More Fragments 位，该位用于指示报文是否有后续分片。如果分片了的话, 最后一个分片置为0, 其他是1，类似于一个结束标记。
- 第三位：Fragment Offset 位，这些位标识分片在原始报文中的相对位置。它们与分片序号一起,用于重组时排序和定位分片。
13位片偏移： 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移. 其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的. 因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了).
- 这里解释一下为什么是13位片偏移：
  
  IP报头中的片偏移字段只有13位,如果以字节为单位,其能表示的偏移范围是:
  
  2^13 = 8191字节 = 8KB
  
  而IP数据报的总长度字段有16位,可以表示的总长度是:
  
  2^16 = 65535字节 = 64KB
  
  以字节为偏移单位,13位能表示的最大偏移量是8KB,如果数据报大于8KB,偏移字段会出现表示不足的情况。
  
  但偏移量以8字节为单位,13位就可以表示:
  
  8192 * 8 = 64KB
  
  正好与总长度字段的表示范围相同。
  
  所以出于表示范围的限制,偏移字段必须采用“以8字节为单位”的设计,即使最小分片也会多占用一点空间,这是对范围表示和分片处理的一个综合考量。

假设发送端通过以太网帧 MTU 是 1500 ，它准备发一个长度为 4000 字节的 IP包。TCP分片情况如下：

在这里插入图片描述

如上图，原包长达 4000 字节，其中头部 20 字节，数据部分为 3980 字节。分片包最大长度为 1500 ，除去头部的 20 字节，数据部分只剩 1480 。这意味着，原包 3980 字节至少需要分为 3 片。

由于偏移量字段以 8 字节为单位，因此每个分片的数据长度必须为 8 的倍数，最后一片除外。由于 1480 刚好可以被 8 整除，因此分片数据长度可以选择 1480 。

第一个分片，包含原包前 1480 字节数据，因此偏移量 offset=0 ；而 MF=1 表示后面还有其他分片。第二个分片，包含原包紧接着的 1480 字节数据，偏移量 1480/8=185 ；同样 MF=1 表示后面还有其他分片。最后一个分片，包含原包最后 1020 字节数据，偏移量 29608/8=370 ；而 MF=0 表示它是最后一片了。