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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)。
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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150015001000三个数据报
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 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 我们从上至下讲
TCP报文询问IPIP询问数据链路层MTU是多少数据链路层返回1500。IP得到MTU1500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MTU1280由于TCP报头最少要20字节故根据MTUTCP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
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 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 offset0 而 MF1 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 1480/8185 同样 MF1 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 29608/8370 而 MF0 表示它是最后一片了。
接收端是如何重组IP报文的
这些分片被发出去后由于是不同的数据包可能出现丢包阻塞等现象到达时间和顺序是无法预测的所以无法按照分片到达顺序来确定。
因此分片到达目标主机后系统根据报头中字段将它们重组。
实际上系统会分配一块内存作为重组分片的缓冲区。一个分片包首个分片达到后系统将其移入到该缓冲区等待其他分片达到
后续分片达到后系统先根据源地址、目的地址和标识符确定它属于哪个包再根据偏移量确定它属于原包的哪个部分最后将分片数据拼接到原包中。当所有分片都到达后原包也就成功重组出来了
IP是否有可能分片
如果中间路由链路 MTU 变小经过的 IP 包大小超出限制路由便再次对 IP 包进行分片。就算 IP 包已分过片只要有分片大小超出限制都要进一步划分注意按照现在的讲法IP此时是可以分片的 如上图路由专线的 MTU 很小。一个去往主机A的 IP 包被主机A发出前已被分为两片。来到路由器1 时由于第一个分片大小仍超过路由器的 MTU 路由器1 进一步将其分为两片。
IP 包来到 路由2 后链路 MTU 变大理论上可以对前两个分片进行组装还原出原来的分片 1 。但出于效率考虑中间路由不会这么做分片只有到达目的地即主机B之后才会开始重组。
但我们说过IP分片会导致效率的下降 那么如何让IP分不了包呢以下PMTU内容参考小白debug
获取 PMTU整个IP报文传输过程中设备数据链路层的最小MTU使用 IP 报头中的3位标志位IP 包设置 DF 标志中间路由便不能将它分片只能向发送者报告 ICMP 目的不可达 错误。ICMP中包含PMTU信息TCP获取PMTU后重新组织数据段发送以此避免IP分片
