IP分片过程深度解析

IP 分片那些事儿 ------ 从一道题目看 IP 数据报的分片过程

在网络世界里,IP 数据报的传输并非总是 "一帆风顺",当它遇到不同网络的最大传输单元(MTU)限制时,就需要进行分片操作。今天,我们通过一道经典题目,深入探究 IP 分片的原理与过程。

一、题目回顾

牛客网的某一网络的一台主机产生了一个 IP 数据报,头部长度为 20 字节,数据部分长度为 2000 字节,该数据报需要经过两个网络到达目的主机,这两个网络所允许的最大传输单位 MTU 分别为 1500 字节和 576 字节。原 IP 数据报到达目的主机时分成了多少个 IP 小报文?

二、IP 分片的核心原理

当 IP 数据报的总长度(头部 + 数据)超过网络的 MTU 时,必须将数据报分成多个小的 IP 分片(小报文)。且每个分片的数据部分长度要能被 8 整除,这是因为 IP 头部的 "分片偏移" 字段以 8 字节为单位。

三、逐步分析分片过程

(一)计算原 IP 数据报的总长度

原 IP 数据报头部长度为 20 字节,数据部分长度为 2000 字节,所以总长度为:

\( 20 + 2000 = 2020 \text{ 字节} \)

(二)经过第一个网络(MTU=1500 字节)的分片

第一个网络的 MTU 为 1500 字节,要保证分片后的总长度(头部 + 数据)≤1500 字节。因为头部长度固定为 20 字节,所以每个分片的数据部分最大长度为:

\( 1500 - 20 = 1480 \text{ 字节} \)

又因为数据部分长度需能被 8 整除("分片偏移" 的要求),1480 能被 8 整除(\( 1480 \div 8 = 185 \)),所以第一个网络的分片数据部分最大为 1480 字节。

原数据部分共 2000 字节,经过第一个网络时,分片情况为:

\( 2000 \div 1480 = 1 \text{ 个完整分片(1480字节)} + 剩余 2000 - 1480 = 520 \text{ 字节} \)

因此,经过第一个网络后,IP 数据报被分为 2 个分片(1 个 1480 字节数据的分片 + 1 个 520 字节数据的分片)。

(三)经过第二个网络(MTU=576 字节)的分片

第二个网络的 MTU 为 576 字节,同样要保证分片后的总长度(头部 + 数据)≤576 字节。头部长度为 20 字节,所以每个分片的数据部分最大长度为:

\( 576 - 20 = 556 \text{ 字节} \)

但数据部分长度需能被 8 整除,所以取小于等于 556 且能被 8 整除的最大值:

\( 556 \div 8 = 69.5 \)

,取整数部分 69,因此最大数据长度为 \( 69 \times 8 = 552 \text{ 字节} \)。

对第一个网络产生的 "1480 字节数据分片" 进行二次分片

该分片数据部分为 1480 字节,需分成多个数据部分≤552 字节的小分片:

\( 1480 \div 552 = 2 \text{ 个完整分片(552字节×2 = 1104字节)} + 剩余 1480 - 1104 = 376 \text{ 字节} \)

所以,1480 字节的数据部分会被分为 3 个分片(2 个 552 字节 + 1 个 376 字节)。

对第一个网络产生的 "520 字节数据分片" 进行二次分片

该分片数据部分为 520 字节,因为 520 ≤ 552,且 520 能被 8 整除(\( 520 \div 8 = 65 \)),所以无需再分片,保持为 1 个分片。

(四)最终分片数量

经过第二个网络后,原 IP 数据报被分为:

  • 1480 字节数据分片 → 3 个小分片
  • 520 字节数据分片 → 1 个小分片

总计 \( 3 + 1 = 4 \) 个 IP 小报文。

四、总结

IP 分片是网络传输中应对 MTU 限制的重要机制,需要综合考虑头部长度、数据部分长度以及 "分片偏移" 对数据部分能被 8 整除的要求。通过这道题目,我们清晰地看到了 IP 数据报在经过不同 MTU 网络时的分片过程,也更深入理解了网络传输中 "分段" 的必要性与原理。

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