从“碎片化”到“完美重组”：IP报文的分片艺术

前言
        在网络通信中，当IP层需要传输的数据包大小超过数据链路层的MTU限制时，就必须进行分片处理。本文将完整解析IP分片的工作机制，包括分片字段的作用、如何减少分片，以及分片报文的组装原理。

IP报头解析请参考：子网划分核心原理 (网络原理1)-CSDN博客

        在上一期的IP报头解析文章中，我们遗留了几个关键字段未作详述，即16位标识符、3位标志位以及13位片偏移量。这些字段实际上与IP分片和组装机制紧密相关，本章将对此展开详尽讲解。

一、什么是分片技术？

        由于物理介质等因素的限制，数据链路层规定从上层接收下来的完整报文大小不超过MTU（最大的传送单元），标准通常是1500字节。就像寄包裹时不能超过1kg，需要我们分成小块寄。

        如果从IP层传下来的超过MTU就需要分片发送。到了对端IP层会再进行组装。

        分片并不是一件好事，分片会增加丢包率——任意一个分片丢失都会导致整个报文失效。举个例子，假设报文的丢包率为1%，而一个报文被分成10份。要保证每一个报文都收到，才算不丢包，那么丢包率就变为1-99%^10，最后丢包率变为10%左右。

        所以分片和组装不是主流，是被迫为之，不是“原罪”。既然分片有显著弊端，如何减少？关键在哪一层控制？

        为什么说IP分片是被迫为之，传输层并不关心报文大小，只管将数据传给网络层，最终必须交付给对端传输层。而数据链路层的标准是不能超过1500字节，那么网络层夹在中间就很为难，需要自己解决这个问题，所以有了分片技术，在IP层分片交付到对端IP层在进行组装。分片技术的分与组均由网络层独立完成，与其他层解耦。

        所以要减少分片，即IP层的工作。那么就要从数据链路层的下手。

        怎么控制传输层数据量减少分片？MTU为1500字节，去掉IP报头20字节，那么从传输层传输下来的报文就要控制在1480字节以下。去掉传输层报头20字节，那么从发送缓存区取的报文就要控制在1460字节（称为MSS 最大段尺寸）以下。

        而数据发送多少又跟滑动窗口有关。滑动窗口里面的数据是分段发送的，而不是大块数据一次性发送，就是在控制数据发送量减少分片。

关于滑动窗口讲解：TCP协议可靠性设计的核心机制与底层逻辑-CSDN博客

注意：不同链路层有自己的 MTU，网络层需要兼容。

二、IP报头分片字段作用：

• 16位标识：相同报文分出来的分片包标识相同，不同报文及它们的分片包不同。该字段是用来把分片包分类的。
• 3位标志：
  • 第1位：未来功能扩展是使用。
  • 第2位：是否禁止分片（1表示禁止分片，被禁止分片的报文超过MTU直接丢包），通常都是设位0。
  • 第3位：更多分片。表示是否有更多分片，1表是有更多分片，0表示最后一分片。
• 13位片偏移：表示当前分片包在第一个分片包的相对偏移位置。

三、如何分片和组装？

接下来讲解分片是如何组装的，理解如何组装，如何分片自然就能理解。

首先需要甄别出是否是分片报文？

        看3位标志的第三位，如果是1，那么它100%是分片报文。如果是0我们还不能确定，需要继续看13位片偏移，如果不为0则就是分片报文（而且是最后一片）。对立的，如果3位标第3位为0，且13位片偏移为0则不是分片报文。

        确定它是分片报文后，通过16位标识把它分类（相同报文的放在一起）。

怎么判断分片报文是否已经收全了？（或是否有丢失？）

划分为三种情况检测，第一片，中间片，最后一片。

• 如果有13位片偏移为0的分片报文，则第一片没有丢失。
• 3位标志的第三位，如果是0的分片报文，则最后一片没有丢失。
• 判断中间片是否丢失可以把所有分片报文按13位片偏移排序（升序），13位片偏移+自己的报文长度就是下一片的13位片偏移，如果找不到对应的片，那就是丢失了。

如何组装？

        按13位片偏移升序排序后直接拼接就好。

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