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。

非常感谢您能耐心读完这篇文章。倘若您从中有所收获,还望多多支持呀!

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