IP分片的隐患，以及TCP分片

好的，我们来用一个生活中的例子更详细地解释 MTU、MSS，以及 IP 和 TCP 分片。

MTU 和 MSS 的概念

1. MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）：

• 假设你搬家，需要用卡车搬运家具。

• 卡车的最大承载重量是 1500 公斤（MTU）。

• 任何超过这个重量的家具都需要拆分成多个部分运送。

1. MSS（Maximum Segment Size，最大分段大小）：

• 每件家具在装上卡车之前，需要包装和保护。

• 包装和保护材料（相当于 IP 和 TCP 头部）总共占用 40 公斤。

• 所以，每辆卡车实际能装载家具的最大重量是 1460 公斤（MSS）。

IP 层分片的隐患

假设你有一个非常大的家具，重量是 3000 公斤（大于 MTU 的大小）。按照卡车的规定，你必须将其拆分成两个部分，每部分不超过 1500 公斤。这个过程就像 IP 层进行分片：

• 你需要把家具拆成两个部分，分别装上两辆卡车（分片）。

• 如果在运输过程中，任何一辆卡车（分片）丢失或损坏，整个家具都无法完整到达目的地。

• 因为只有当所有卡车（分片）都到达时，家具才能重新组装（IP 层的重组）。

• 如果一辆卡车丢失，你必须重新发送整个家具的所有部分，这非常耗时且低效。

TCP 协商 MSS 的好处

为了避免这种低效，搬家公司（TCP 协议）在你搬家前会和你协商：每件家具的最大重量不能超过 1460 公斤（MSS），这样每辆卡车加上包装和保护材料的总重量不会超过 1500 公斤（MTU）。这样：

• 你会提前把每件家具都拆成不超过 1460 公斤的部分（TCP 分段）。

• 每个部分单独装车，每辆卡车的总重量不超过 1500 公斤（MTU），不需要再进行分片（IP 分片）。

• 如果某辆卡车丢失，只需要重新发送那部分家具，而不是整个家具。

• 大大提高了运输（数据传输）的效率，减少了重传的次数。

实际的传输过程

1. 协商阶段：

• 你和搬家公司（TCP 握手阶段）协商好每件家具的最大重量（MSS）。

1. 打包和运输：

• 你把家具拆成不超过 1460 公斤的部分分别装车。

• 每辆卡车加上包装和保护材料，总重量不超过 1500 公斤（MTU）。

• 搬家公司按卡车运输，每辆卡车都在规定重量内，不需要再分片（IP 不用再分片）。

1. 丢失和重传：

• 如果某辆卡车在运输过程中丢失，只需要重新打包那部分家具重发一辆卡车。

• 而不是整个家具重新拆分装车再运输。

具体案例

假设你需要传输一个 3000 字节的消息，MTU 是 1500 字节，MSS 是 1460 字节：

1. 分段：

• 数据被分成两个 TCP 分段：第一个分段 1460 字节，第二个分段 1540 字节（1460 + 80 字节的头部）。

1. 封装：

• 第一个 TCP 分段封装后总长 1500 字节，包括 IP 头部和 TCP 头部。

• 第二个 TCP 分段也封装后总长 1500 字节。

1. 传输：

• 每个分段作为一个独立的 IP 包进行传输，不需要进行 IP 层分片。

1. 重传机制：

• 如果某个 IP 包丢失，例如第二个 IP 包，接收方不会发送 ACK 确认。

• 发送方会触发重传机制，只重新发送丢失的分段，而不是整个数据流。

通过这种方式，搬家公司（TCP 协议）确保了家具搬运（数据传输）的高效性和可靠性。这样避免了 IP 层分片带来的低效和潜在问题，提高了整体的传输效率和可靠性。

• MTU：一个网络包的最大长度，以太网中一般为 1500 字节；

• MSS：除去 IP 和 TCP 头部之后，一个网络包所能容纳的 TCP 数据的最大长度；

如果在 TCP 的整个报文（头部 + 数据）交给 IP 层进行分片，会有什么异常呢？

当 IP 层有一个超过 MTU 大小的数据（TCP 头部 + TCP 数据）要发送，那么 IP 层就要进行分片，把数据分片成若干片，保证每一个分片都小于 MTU。把一份 IP 数据报进行分片以后，由目标主机的 IP 层来进行重新组装后，再交给上一层 TCP 传输层。

这看起来井然有序，但这存在隐患的，那么当如果一个 IP 分片丢失，整个 IP 报文的所有分片都得重传。

因为 IP 层本身没有超时重传机制，它由传输层的 TCP 来负责超时和重传。

当某一个 IP 分片丢失后，接收方的 IP 层就无法组装成一个完整的 TCP 报文（头部 + 数据），也就无法将数据报文送到 TCP 层，所以接收方不会响应 ACK 给发送方，因为发送方迟迟收不到 ACK 确认报文，所以会触发超时重传，就会重发「整个 TCP 报文（头部 + 数据）」。

因此，可以得知由 IP 层进行分片传输，是非常没有效率的。

所以，为了达到最佳的传输效能 TCP 协议在建立连接的时候通常要协商双方的 MSS 值，当 TCP 层发现数据超过 MSS 时，则就先会进行分片，当然由它形成的 IP 包的长度也就不会大于 MTU ，自然也就不用 IP 分片了。

经过 TCP 层分片后，如果一个 TCP 分片丢失后，进行重发时也是以 MSS 为单位，而不用重传所有的分片，大大增加了重传的效率。