IP报文分片与重组原理及实现分析

引用：

1. ppp/net/packet/IPFragment.h
2. ppp/net/packet/IPFragment.cpp

1. IP分片原理

当IP数据包大小超过MTU（最大传输单元）时，路由器/主机将其分割为多个片段传输，每个片段包含：

• IP头信息（除分片相关字段外与原始包一致）
• 分片控制字段：
  • 标志位(Flags)：
    • MF(More Fragments)：表示后续还有分片
    • DF(Don’t Fragment)：禁止分片
  • 分片偏移(Fragment Offset)：以8字节为单位标识片段位置

原始IP包结构：
+-----------------+-----------------------+
| IP头(20-60字节) |       数据载荷        |
+-----------------+-----------------------+分片后：
分片1：+-----------------+---------+ (MF=1, Offset=0)
分片2：+-----------------+---------+ (MF=1, Offset=N)
...
分片N：+-----------------+---------+ (MF=0, Offset=M)

2. 关键类关系图

3. 分片生成流程（Output）

4. 分片重组流程（Input）

5. 关键数据结构

分片缓存表(SubpackageTable)：

struct Subpackage {UInt64 FinalizeTime;  // 超时时间戳vector<IPFramePtr> Frames;  // 有序分片列表
};unordered_map<Int128, Subpackage::Ptr> IPV4_SUBPACKAGES_;

分片Key生成算法：

Int128 key = (Int128)Source | (Destination << 32) | (Id << 64);

6. 分片重组验证逻辑

bool fullFragementOffset = true;
int nextOffset = 0;for (分片 in 有序列表) {if (分片.Offset != nextOffset) { fullFragementOffset = false;break;}nextOffset += 分片.Payload长度;
}if (fullFragementOffset && 末片.MF==0) {// 执行重组
}

7. 分片超时管理

8. 分片/重组性能优化

1. 内存管理：

   • 使用BufferswapAllocator减少内存碎片
   • 分片数据共享原始缓冲区（wrap_shared_pointer）

2. 算法优化：

   • 分片插入使用二分查找（O(log n)）
   • 重组检查使用增量偏移计算

3. 安全防护：

   • 分片超时强制清理（默认1秒）
   • 分片偏移范围校验

9. 协议处理差异

协议	封装方式	校验机制
ICMP	直接封装在IP载荷中	标准IP校验和
UDP	伪头部参与校验和计算	包含源/目的IP的校验和
TCP	(未展示) 需要序列号重组	复杂流重组逻辑

10. 关键代码实现

分片生成核心逻辑：

int IPFrame::Subpackages(vector<IPFramePtr>& out, const IPFramePtr& packet) {while (剩余数据 > MTU) {auto fragment = make_shared<IPFrame>();fragment->Flags = IPFlags::IP_MF;  // 设置MF标志fragment->SetFragmentOffset(current_offset);// ... 数据切割 ...out.push_back(fragment);}// 处理最后分片（清除MF标志）
}

重组缓冲区构建：

MemoryStream ms(buffer, total_size);
for (auto& frame : subpackage->Frames) {ms.Write(frame->Payload->Buffer, frame->Payload->Length);
}

总结

该实现完整覆盖了IP分片/重组核心功能：

1. 分片生成：按MTU切割数据，动态设置MF/Offset
2. 分片重组：基于五元组Key缓存，有序验证连续性
3. 资源管理：智能指针自动释放+超时清理
4. 协议支持：统一处理ICMP/UDP等上层协议

改进建议：

• 增加分片重叠处理（RFC815）
• 实现分片攻击防护（如偏移量验证）
• 支持IPv6分片扩展头