IP 分片和组装的具体过程

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• 16 位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 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 位标志字段: 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 第二位置为 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. 第三位表示"更多分片", 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.

• 13 位分片偏移(framegament offset): 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 除以 8 得到的. 因此, 除了最后一个报文之外(之前如果都是 8 的整数倍，最后一片的偏移量也一定是 8 的整数倍), 其他报文的长度必须是 8 的整数倍(否则报文就不连续了).

• 注意：片偏移(13 位)表示本片数据在它所属的原始数据报数据区中的偏移量（以 8 字节为单位）

分片与组装的过程

分片

  1. 检查 MTU 限制：

￮ 当一个 IP 数据报的大小超过了网络的 MTU（最大传输单元）限制时，就需要进行分片。MTU 是数据链路层对 IP 层数据包进行封装时所能接受的最大数据长度。

  1. 分割数据报：

￮ IP 层将原始的 IP 数据报分割成多个较小的片段。

￮ 对于每个片段，IP 层会设置相应的标识（Identification）、偏移量（Fragment Offset）和标志位（Flags）等字段。

￮ 标识字段用于标识属于同一个数据报的不同分片，确保所有分片能够被正确地重新组装。

￮ 偏移量字段指示了当前分片相对于原始数据报的起始位置，以 8 字节为单位。

￮ 标志位字段包含了 3 个位，其中 MF（More Fragment）位用于指示是否还有更多的分片，DF（Do Not Fragment）位用于指示数据报是否允许进行分片。

  1. 添加 IP 头部：

￮ 每个分片都会加上自己的 IP 头部，与完整 IP 报文拥有类似的 IP 头结构，但MF 和 Fragment Offset 等字段的值会有所不同。

  1. 发送分片：

￮ 分片在传输过程中独立传输，每个分片都有自己的 IP 头部，并且各自独立地选择路由。

组装

  1. 接收分片：

￮ 当目的主机的 IP 层接收到这些分片后，会根据标识字段将属于同一个数据报的所有分片挑选出来。

  1. 排序与组装：

￮ 利用片偏移字段，IP 层会对属于同一个数据报的分片进行排序。

￮ 当所有的分片都到达并正确排序后，IP 层会将这些分片重新组装成一个完整的 IP 数据报。

  1. 传递给上层协议：

￮ 组装好的 IP 数据报会传递给上层的协议进行处理。

注意：

• IP 分片对传输层是透明的，这意味着传输层无需关心数据是否被分片以及如何重新组装。

• 接收方如何得知自己收到的报文分片了？

• 接收方如何得知自己收到的分片收全了？

• 接收方如何组合形成完整的报文？

IP分片是网络层（IP层）的功能，对传输层（如TCP/UDP）透明，即传输层不直接参与分片和重组过程。以下是接收方处理IP分片的核心机制：

1. 接收方如何得知报文被分片了？

通过IP头部中的以下字段判断：

  • 分片控制字段：
    • MF（More Fragments）标志位：
      • MF=1：表示当前分片不是最后一个，后续还有分片。
      • MF=0：表示当前分片是最后一个。
    • Fragment Offset（分片偏移）：
      • 表示当前分片在原始IP数据报中的偏移量（以8字节为单位）。
      • 若Fragment Offset ≠ 0或MF=1，则说明该报文是分片。

2. 接收方如何得知分片收全了？

通过以下条件综合判断：

  1. 所有分片的Identification字段相同：
    IP头部中的Identification（标识符）唯一标识同一个原始数据报的所有分片。
  2. 分片覆盖完整的数据范围：
    • 最后一个分片的MF=0。
    • 分片的Fragment Offset和长度连续覆盖原始数据报（如：前一分片的Offset + Length = 下一分片的Offset）。
  3. 重组超时机制：
    若在规定时间内未收到全部分片，丢弃已收到的分片（超时时间由系统实现决定，通常为30秒或60秒）。

3. 接收方如何重组分片？

重组流程如下：

  1. 缓存分片：
    接收方根据Identification字段将属于同一数据报的分片暂存到重组缓冲区。
  2. 排序与去重：
    根据Fragment Offset对分片排序，并丢弃重复分片（如因网络重传导致）。
  3. 完整性检查：
    • 检查是否覆盖从Offset=0到最后一个分片的完整数据。
    • 确保所有分片的MF和Offset逻辑连贯。
  4. 重组数据报：
    按顺序拼接分片数据，去除IP头部（仅保留第一个分片的IP头部），生成完整的原始IP数据报。
  5. 提交上层协议：
    将重组后的数据报交给传输层（如TCP/UDP）处理。

关键IP头部字段

字段作用
Identification唯一标识同一数据报的所有分片（通常由发送方生成）。
MF (More Fragments)标记是否为最后一个分片。
Fragment Offset当前分片在原始数据报中的位置（以8字节为单位）。
Total Length当前分片的总长度（IP头部+数据）。

示例：分片重组过程

假设原始IP数据报长度为4000字节（MTU=1500字节），分片如下：

  1. 分片1：
    • Offset=0, MF=1, Length=1500（含IP头）。
    • 数据：字节0~1479（IP头占20字节）。
  2. 分片2：
    • Offset=185（185×8=1480）, MF=1, Length=1500。
    • 数据：字节1480~2959。
  3. 分片3：
    • Offset=370（370×8=2960）, MF=0, Length=1040。
    • 数据：字节2960~3999。

接收方按Offset排序后拼接数据，检测到MF=0时确认分片完整，重组为原始数据报。

为什么传输层无需关心分片？

  • 职责分离：IP层负责分片与重组，传输层只需处理完整的数据报。
  • 透明性：传输层的协议头部（如TCP/UDP头部）仅在第一个分片中出现，后续分片仅包含数据部分。

注意事项

  • 分片开销：分片会增加延迟和丢包风险（任一分片丢失会导致整个数据报丢弃）。
  • 避免分片：
    • 传输层可通过Path MTU Discovery（路径MTU发现）调整报文大小。
    • 应用层可主动限制数据包大小（如UDP建议≤1472字节，预留IP+ICMP头空间）。

IP分片机制通过网络层透明化处理，确保了传输层无需感知底层分片细节，但需注意分片对性能和可靠性的潜在影响。

分片与组装过程的示意图

分片组装场景
在这里插入图片描述

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分片组装过程

• 假设在 IP 层，有一个大小为 3000 字节的报文，如何分片？如何组装呢？

假设一个 3000字节的IP数据报（包括20字节IP头部，实际数据部分为2980字节）需要通过一个 MTU（最大传输单元）为1500字节 的网络链路传输。由于MTU限制了单个IP包的大小，因此需要进行分片。以下是分片和组装的详细过程：

1. 分片过程

IP分片的规则：

  • 每个分片必须包含IP头部（20字节），因此每个分片的最大数据部分 = MTU - IP头 = 1500 - 20 = 1480字节。
  • 分片偏移量（Fragment Offset）以8字节为单位，因此每个分片的数据长度必须是8的倍数（不够则填充）。
  • MF（More Fragments）标志位：
    • MF=1：表示还有后续分片。
    • MF=0：表示这是最后一个分片。

原始数据报

  • 总长度（Total Length） = 3000字节（IP头20 + 数据2980）。
  • 需要分片，因为 3000 > MTU (1500)。

分片计算

由于每个分片最多承载1480字节数据，且偏移量按8字节单位计算：

  1. 第1个分片：

    • 数据长度 = 1480字节（满足 1480 % 8 == 0）。
    • 偏移量（Fragment Offset） = 0 / 8 = 0。
    • MF标志 = 1（还有后续分片）。
    • 分片总长度 = 20 (IP头) + 1480 (数据) = 1500字节。
    • 剩余数据 = 2980 - 1480 = 1500字节。

  2. 第2个分片：

    • 数据长度 = 1480字节（仍然 ≤ 1480）。
    • 偏移量 = 1480 / 8 = 185。
    • MF标志 = 1（仍有剩余数据）。
    • 分片总长度 = 20 + 1480 = 1500字节。
    • 剩余数据 = 1500 - 1480 = 20字节。

  3. 第3个分片：

    • 数据长度 = 20字节（最后剩余部分）。
    • 偏移量 = (1480 + 1480) / 8 = 2960 / 8 = 370。
    • MF标志 = 0（这是最后一个分片）。
    • 分片总长度 = 20 (IP头) + 20 (数据) = 40字节。

分片结果

分片偏移量（Fragment Offset）MF标志数据长度分片总长度
10114801500
2185114801500
337002040

2. 接收方的组装过程

接收方需要缓存所有分片，并按照以下步骤重组原始数据报：

  1. 识别属于同一数据报的分片：
    • 所有分片的 Identification 字段相同（由发送方生成，唯一标识这个数据报）。
  2. 检查分片是否完整：
    • 第一个分片：Offset=0，MF=1（表示有后续分片）。
    • 中间分片：Offset 递增，MF=1。
    • 最后一个分片：MF=0（表示结束）。
  3. 按偏移量排序并拼接数据：
    • 第1个分片：数据 0~1479。
    • 第2个分片：数据 1480~2959。
    • 第3个分片：数据 2960~2979。
  4. 检查是否覆盖全部数据：
    • 最后一个分片的 Offset + Length = 370×8 + 20 = 2960 + 20 = 2980，与原始数据长度一致。
  5. 重组完整IP数据报：
    • 去除后续分片的IP头部，仅保留第1个分片的IP头部。
    • 拼接所有数据部分，得到 3000字节的原始数据报。
  6. 提交给传输层（TCP/UDP）：
    • 传输层看到的是完整的数据报，并不知道底层进行了分片。

3. 关键点总结

  • 分片由IP层完成，传输层（TCP/UDP）不感知分片。
  • 接收方通过Identification、MF、Fragment Offset判断分片关系。
  • 所有分片必须全部到达才能重组，否则超时丢弃（通常30~60秒）。
  • 分片影响性能（增加延迟、丢包风险），应尽量避免（如使用Path MTU Discovery）。

为什么分片偏移量以8字节为单位？

  • 节省IP头部空间：Fragment Offset 字段只有13位（最大 8191），以8字节为单位可表示最大 8191×8=65528 字节的偏移量，足够覆盖最大IP包（65535字节）。

如果某个分片丢失会怎样？

  • 接收方等待超时（如30秒）后丢弃所有已收到的分片。
  • 传输层（如TCP）会触发超时重传，重新发送整个数据报（而非单个分片）。

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为什么分片偏移量以8字节为单位？

  • 节省IP头部空间：Fragment Offset 字段只有13位（最大 8191），以8字节为单位可表示最大 8191×8=65528 字节的偏移量，足够覆盖最大IP包（65535字节）。

如果某个分片丢失会怎样？

  • 接收方等待超时（如30秒）后丢弃所有已收到的分片。
  • 传输层（如TCP）会触发超时重传，重新发送整个数据报（而非单个分片）。

IP分片机制确保了大数据报能在不同MTU的网络中传输，但应尽量避免分片以提高效率。

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