8-1\IP 分片和组装的具体过程

• 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

2. 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。

3. 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？

IP数据报头部中有三个关键字段帮助判断：

标志位（Flags）中的MF（More Fragments）位

若 MF=1，表示当前分片之后还有更多分片。

片偏移（Fragment Offset）字段

若 片偏移 > 0，表示当前分片不是原始报文的第一个分片。

总长度（Total Length）字段

结合IP头部的"总长度"与"片偏移"，也可间接判断。

结论：只要收到一个IP包满足 MF=1 或者 片偏移 > 0，就说明它是一个分片（且该报文被分片了）。（第一个分片 片偏移=0 但 MF=1；最后一个分片 MF=0 但 片偏移>0；中间的分片两者都满足）

• 接收方如何得知自己收到的分片收全了？

接收方对**相同标识符（Identification）**的所有分片进行重组，判断是否收全的条件是：

收到了一个 MF=0 的分片（即最后一个分片）；

并且该分片的片偏移 + 数据长度，恰好等于从第一个分片推导出的原始数据报总长度（或等于所有已收分片的数据总长度）。

在实际实现中，重组过程会维护一个重组缓冲区 ，持续接收同一标识符的分片。当遇到 MF=0 的分片时，检查它结束位置是否覆盖了所有数据范围。如果覆盖完整，则重组成功；否则，可能丢失中间分片。

另外，IP协议还设计了重组超时定时器（通常几十秒）：如果定时器到期仍未收齐全部分片，则丢弃已收到的分片，并向源端发送ICMP超时消息（类型11，代码1）。

• 接收方如何组合形成完整的报文？

组合过程如下（以IPv4为例）：

根据标识符（Identification）分类

接收方从接收到的IP包中提取 标识符 字段，将相同标识符的分片归到同一个重组任务。

按片偏移排序

每个分片的 片偏移 字段指示了该分片的数据在原始数据报中的起始位置（以8字节为单位）。接收方将这些分片按 片偏移 从小到大的顺序排列。

拼接数据

从第一个分片（片偏移=0）开始，依次取出每个分片的数据部分，按照片偏移的顺序放入一个连续的缓冲区中。

第一个分片可能（但不必）包含IP头部的选项，但重组时只提取数据部分。

后续分片只包含数据，不包含原始IP头部。

去除分片头部

每个分片都有自己的IP头部（20字节+选项），重组后的数据报只需要保留第一个分片的IP头部（或重建一个简化的头部），然后修改 总长度、清除分片相关标志（MF=0，片偏移=0），更新 头部校验和。

交付上层协议

完整IP数据报重组后，根据头部中的协议字段（如6=TCP，17=UDP），交给相应的传输层模块处理。传输层完全感知不到曾经发生过IP分片。

简化的例子

假设一个1480字节的UDP报文（数据部分1460字节+UDP头8字节）需要经过一个MTU=1000的链路。

原始IP数据报总长度 = 1480 + 20（IP头）= 1500字节
分片1：IP头+前980字节数据，MF=1，片偏移=0
分片2：IP头+后500字节数据，MF=0，片偏移=980/8=122.5？不对，片偏移单位是8字节，980不是8的倍数？实际IP分片要求每片数据长度是8字节的整数倍（除了最后一片）。这里为简化，假设合理分片。

接收方收到分片1（MF=1）、分片2（MF=0，片偏移=122）：

分片1数据长度=960字节（必须8倍数，假设），分片2数据长度=500字节（不足8倍数也可）。
计算分片2结束位置 = 片偏移×8 + 分片2数据长度 = 122×8 + 500 = 976 + 500 = 1476字节
原始数据报总数据长度应为1476字节（不含IP头）。第一个分片偏移0，数据960字节。
检查：960 + 500 = 1460？不对，需要精确对齐，实际例子中会严格保证。

关键是，接收方通过排序和拼接，就能恢复出原始数据。

分片与组装过程的示意图

分片组装场景

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

1. 分片过程

每个分片包含自己的 IP 头部（20 字节）。
每个分片携带的数据部分必须是 8 字节的整数倍（除了最后一个分片）。
每个分片的最大数据量 = MTU - IP头部 = 1500 - 20 = 1480 字节（正好是 8 的倍数）。

分片结果：

分片	数据部分偏移（原始数据中的起始字节）	数据长度	IP 头部总长度	MF 标志	片偏移（单位：8 字节）	计算
1	0	1480	1500	1	0	1480/8=185
2	1480	1480	1500	1	185	(1480+1480)/8=370? 不对，第二片的片偏移=1480/8=185
3	2960	20	40	0	370	2960/8=370

说明：

原始数据总长 = 2980 字节。
第一片：携带数据 $0, 1479$ （共 1480 字节），IP 报头总长度 = 1500，MF=1，片偏移=0。
第二片：携带数据 $1480, 2959$ （共 1480 字节），IP 报头总长度 = 1500，MF=1，片偏移=185（因为 1480 ÷ 8 = 185）。
第三片：携带数据 $2960, 2979$ （共 20 字节），IP 报头总长度 = 40，MF=0，片偏移=370（因为 2960 ÷ 8 = 370）。

2. 组装过程（接收方）

接收方可能收到乱序的分片，例如顺序是：分片2、分片1、分片3。

步骤 1：识别属于同一原始数据报的分片

根据 IP 头中的 源 IP、目的 IP、协议、标识符 四个字段将分片归类。此处假设所有分片的标识符（Identification）相同（如 0x1234）。

步骤 2：按片偏移排序

收到的分片信息：

分片	片偏移	MF	数据长度
2	185	1	1480
1	0	1	1480
3	370	0	20

排序后：

分片	片偏移	MF	数据长度	起始字节	结束字节（不含）
1	0	1	1480	0	1480
2	185	1	1480	1480	2960
3	370	0	20	2960	2980

步骤 3：检查是否收全

最后一个分片的 MF=0，其结束位置 = 片偏移 × 8 + 数据长度 = 370×8 + 20 = 2960 + 20 = 2980 字节。
这正好等于原始数据总长度（所有分片数据之和）。
收全条件满足。

步骤 4：重组数据

创建一个 2980 字节的缓冲区，按顺序复制：

复制分片1 的数据（1480 字节）到缓冲区 $0, 1479$ 。
复制分片2 的数据（1480 字节）到缓冲区 $1480, 2959$ 。
复制分片3 的数据（20 字节）到缓冲区 $2960, 2979$ 。

步骤 5：构建完整的 IP 数据报

取出第一个分片的 IP 头部（或重建一个），将其中的 总长度 修改为 3000（20 头部 + 2980 数据）。
清除分片标志：MF=0，片偏移=0。
重新计算 IP 头部校验和。
将重组后的数据附加到头部后面。

这样就得到了一个完整的 3000 字节 IP 数据报，可以交付给上层协议（如 TCP/UDP）。

注意：

如果某个分片丢失（例如一直没收到 MF=0 的分片），接收方会启动一个重组超时定时器（典型值 30 秒）。超时后丢弃已收到的分片，并可能发送 ICMP 超时 消息（类型 11，代码 1）。
传输层（TCP/UDP）完全感知不到分片的存在 ------ 它们收到的就是已经组装好的完整报文。