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标题: 数据分片 [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2012-3-11 14:01

作者: isolar 标题: 数据分片

1，TCP层不关心分片的操作，此流程对TCP透明，但是为了提高传输效率，TCP连接建立时要协商MSS（最大分片大小）通常为1500-20（IP头）-20（TCP头）=1460字节。因为IP层本身没有重传机制，当分片丢失一个时，整个TCP报文都要重传。
2，IP层分割：所有分片都有基本相同的IP头，通过ID来标示是否属于同一个包的分片，DF：禁止分片；MF：更多分片，OFFSET：分片的偏移量。只有第一个分片包含TCP信息，其它分片不包含TCP信息，分片在目的设备的IP层进行重组
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时间: 2012-3-11 14:31

作者: isolar

深入理解IP包分片原理
一、关键术语
MTU MRU PMTU MSS包分片

二、 MTU MRU简介
我们都知道，不同类型的网络，其MTU（最大传输单元）各不相同，如以太网中，最大的传输帧为1518字节，FDDI为4500字节，令牌环帧在4500字节到17800字节之间，而IP协议的一个重要功能，就是能够对传输的数据大于硬件接口的MTU时，对其进行分段传输。即大于MTU的数据报将被分为2个或多个的合适的大小被传输。一个分片在到达接收主机的路径中，还可能被继续分片，因此，分片的IP数据报可能会以不同的路径传输到接收主机，接收主机通过一系列的重组，将其还原为一个完整的IP数据报，再提交给上层协议处理。而MRU是（最大接收单元）表示网络设备端口所能接收到的最大数据包的大小。

IP标识符、标志、偏移量3个字段在IP报头中的位置如下图1所示：
[attach]73[/attach]
在发送数据报前，发送主机给每个数据报一个ID值，放在16位的标识符字段中。此ID用于标识唯一的数据报或数据流。接收主机利用此ID对收到的数据报进行重组。正如前面所说，当分片的IP数据报从源地址发送到目的地址的时候，由于网络延迟或者不同的传输路径的关系，在到达目的主机时，这些分片数据报并不总是有序的排列，而是处于一种无序状态，因此，接收主机便用此ID判断接收的这些分片数据报是否属于同一个数据流，然后再根据每个分片包的偏移量进行重组。
标志字段在IP报头中占3位，第1位(Reserved bit)作为保留，置0；第2位(DF)，分段，有两个不同的取值：该位置0，表示该数据包允许被分段；该位置1，表示不能被分段；第3位(More fragments)，更多分段，同样有两个取值：该位置0，表示这是数据流中的最后一个分段，该位置1，表示数据流未完，后续还有分段，当一个数据报没有分段时，则该位置0，表示这是唯一的一个分段。见下图2：
[attach]74[/attach]
当设备接收到一个IP数据报时，会首先查看该数据报的标识符，并且检查DF位，看该包是否允许被分段：
如果为1，则确认报大小；如果小于MTU则进行转发；如果大于MTU，则标准的操作是发送一个标志ICMP报文给数据报发送源，告知数据报过大，然后丢弃这个过大的数据报。
如果为0，同样确认数据报大小；如果数据报加上传输开销大于MTU，则对数据报进行分片操作以满足转发要求；如果数据包加上传输开销小于MTU，则直接进行转发。
注：此处ICMP回应根据RFC文档有两种方法：第一种方法：RFC 792 ，此种方法只告知数据报发送源数据包大于MTU值。第二种方法：RFC 1191,此种方法在告知数据报发送源数据包大于MTU值的同时还会同时告知当前适合传送链路中适合的MTU值大小。

三、 IP包的重组过程：、
IP包重组是通过每个分片的标示符来确认哪些分片是属于同一个数据包。而分片的顺序则是通过IP头的偏移量字段来实现。偏移量字段的大小是13个BIT，偏移量数值乘以8表示该分片在数据包中的起始位置。
以太网中，源主机如果需要通过UDP传送3000字节的数据到目的主机，这时的分段情况如下图4所示（在同一网段）：
[attach]75[/attach]
此处需要注意的是对于分片1的报头，相对于其他两个分片的报头而言，要多出8个字节UDP协议的报头开销，因此，在计算实际传输的数据净载荷时，分片1要多减去8字节UDP报头。最后，接收主机通过此偏移值将数据重组成完整的数据报。

四、 TCP包分片及优化
TCP 因为是面向连接的协议，在传输过程中有着较为复杂的窗口滑动以及确认机制。因此在TCP包传送过程中应该尽量避免数据包被分片转发。一般情况下TCP协议在三次握手时就回根据发送方和接受方的MTU值大小来确定MSS的大小。
MSS是TCP头中option字段里面的一个可选项。当option kind=2时，其表示MSS值。但是问题出现了。因为在TCP三次握手过程中传送的数据包一般都不会大于数据链路的MTU值。当握手完毕MSS值被确定下来之后。开始使用MSS值最为最大传送数据段时，中间的网络设备MTU值达不到被传送数据包大小的要求。此时数据包遭到丢弃。例如：您可以用 FTP 命令行工具成功地与 FTP 服务器建立连接并登录。但是，当您试图下载或者上载文件时，中间的 PMTU 黑洞路由器就会丢弃达到最大大小的 TCP 数据段，从而导致错误和文件传输失败。这里又引入了一个新的概念PMTU，即路径最大传送单元。这个值实际上就是两个通信主机之间所经过设备的最小MTU值。
TCP如何去发现传送过程中的PMTU，以最大效率的发送数据包呢？通常的做法是TCP包在发送是允许被分片。当对端接收到分片的TCP包时，会修改自身的MSS值，使得对端和自己重新协商MSS。达到最终发现PMTU的目的。

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