TCP/IP 协议难点之一—— IP分片

1 IP协议简单介绍

就我的而言，网络中，抛开网络安全加密这些，就只单单讨论协议自己，比较难的有三个地方： 

• IP分片与重组
• TCP滑动窗口与TCP状态的改变
• TCP定时器

其实协议自己根据《TCP/IP详解卷1》理解起来并不难，可是实现起来就很难：数据的操做，标志位的设置，网络状态的变换，中断多线程通信等等；

在下图的七层网络协议参考模型中，IP层属于网络层，网络层最主要的做用就是：将指定IP的数据报传输到对应的主机。

下图是以太帧封装格式(RFC 894)，RFC 894封装格式也是咱们最经常使用的。

下面作个简单介绍：

• 目的地址：6字节，即咱们常说的以太网物理地址，这里是目标主机的物理地址，物理地址为惟一的。你们可能疑惑，发送网络数据时只写了IP地址，并无写目的地址啊。这个是底层协议实现的，根据ARP协议，首先将目的地址设为全1，而后根据IP地址来获取目的地址。
• 源地址：6字节，发数据时本身的物理地址。
• 类型：2字节，协议类型，好比0x0800表明IP协议,0x0806表明ARP协议等等
• 数据：802.3标准规定，一个以太帧最少64字节，最大1518字节，那么去掉6字节目的地址、6字节源地址、2字节类型、4字节CRC，对应区间即为48~1500字节，若是不足48字节能够填充。
• CRC:顾名思义，校验部分，因此网络数据是很准确的，并且绝大多数都支持硬件CRC校验，速度很是快，几乎不会在这上面消耗时间。

下面再看看数据部分：IP数据报

图中从左到右为0~31位，共四个字节，从上到下依次增加，IP头部占20字节，剩下的为数据，若是传输层为TCP则还有20字节的TCP头部，若是是UDP则还有8字节(若是分片的话，中间的包没有UDP头部，即0字节)的UDP头部。剩下的才是真正的用户要传送的数据。能够看出传送一样多的数据，UDP协议要比TCP传送的数据多，但从这一点来讲UDP速度也要比TCP快。

下面对一些字段作个简单介绍：

• 4位版本：好比IPv四、IPv6
• 4位手部长度：指的是首部占32 bit字的数目，包括任何选项。因为它是一个4比特字段，所以首部最长为60个字节
• 16位总长度：一共16位，理论最大长度为65535字节，可是受硬件限制，和其它方面的考虑，大部分路由器或主机支持8192字节。
• 3位标志：标识是否IP分片.第一位无用，第二位0：容许分片，1：不容许。第三位0：最后一片，1：后面还有分片
• 13位片偏移：此分片在原始数据的偏移，用于分片重组，由于13位，因此支持的最大字节为8192
• 8位生存时间TTL：规定网络数据包在网际层传输时，最多能够通过路由器的个数，它的大小通常为256/64，每通过一个路由值就会减1，当它为0时，数据会被丢弃，并回传一个ICMP包来通知发送者。

2 IP分片

从上面的介绍咱们知道，一个以太帧最大为1518字节 （14字节以太首部，20字节IP首部，UDP8/TCP20，所以IP包每次最大为1500==MTU。去掉协议头UDP有效数据1472字节，TCP为1460字节。还有最后的4字节CRC），可是一个IP数据报则可能会有8192字节，超过以太帧的最大限制，那么这时就须要IP分片，分批进行传输。

发送方会在IP层将要发送的数据分红多个数据包分批发送，而接收方则将数据按照顺序再重新组织起来，等接收到一个完整的数据报以后，而后再提交给上一层传输层。

注意，TCP协议为可靠的传输协议，它避免了IP分片的发生，它会在TCP层对数据进行处理，对数据进行分段(不在详述)，IP分片用的多的在UDP协议

咱们知道，协议自己并无对数据在各个层中间怎么传递作出要求，好比嵌入式实现和BSD实现就不太同样，由于嵌入式内存比较少，数据在层与层之间传递时会尽可能避免数据拷贝，而只是指针的操做。下面咱们以嵌入式中用的比较多的LwIP举例

LwIP容许的最大IP由以下决定：IP_REASS_MAX_PBUFS决定IP分片容许最大pbuf数量，IP_REASS_MAXAGE分片的生存时间，超过则错误并将以前接收的IP分片丢弃。

若是数据大于IP_REASS_MAX_PBUFS则有两种选择，一,直接删除数据返回；二，是删除生存时间最长的IP分片PBUF，这个经过IP_REASS_FREE_OLDEST来使能。

当为UDP协议时，若是缓冲区描述符大小小于完整的IP数据包，IP分片数据包到来时，很快将描述符耗尽，后来的IP包因为无缓冲区描述符而丢弃，UDP没有重传机制，极可能永远不会接收到完整的IP分片包。从而大于IP_REASS_MAXAGE出现错误，所以缓冲区描述符也应增大以适应IP分片重装。

TCP发送数据时，将大于MSS的数据分段（segment不叫分片）,MSS通常为1460.因此，TCP数据包不会在IP层分片。

IP头部有3位标志字段，标志是否为分片包。第一位无用，第二位0：容许分片，1：不容许。第三位0：最后一片，1：后面还有分片。13位offset表示偏移，用于IP重组时数据排序，13位所以支持最大IP数据包为8192字节。

标准的BSD协议实现以下图所示，采用两个结构体，IPQ为表头，将各个IP分片表头链接起来，并存储IP信息。Ipasfrag为具体的分片数据。