TCP/IP 协议难点之一—— IP分片

1 IP协议简单介绍

就个人而言，网络中，抛开网络安全加密这些，就只单单讨论协议本身，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

其实协议本身根据《TCP/IP详解卷1》理解起来并不难，但是实现起来就很难：数据的操作，标志位的设置，网络状态的变换，中断多线程通讯等等；

在下图的七层网络协议参考模型中，IP层属于网络层，网络层最主要的作用就是：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封装格式也是我们最常用的。

下面做个简单介绍：

• 目的地址：6字节，即我们常说的以太网物理地址，这里是目标主机的物理地址，物理地址为唯一的。大家可能疑惑，发送网络数据时只写了IP地址，并没有写目的地址啊。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，然后根据IP地址来获取目的地址。
• 源地址：6字节，发数据时自己的物理地址。
• 类型：2字节，协议类型，比如0x0800代表IP协议,0x0806代表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，如果不足48字节可以填充。
• CRC:顾名思义，校验部分，所以网络数据是很准确的，而且绝大多数都支持硬件CRC校验，速度非常快，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，从上到下依次增长，IP头部占20字节，剩下的为数据，如果传输层为TCP则还有20字节的TCP头部，如果是UDP则还有8字节(如果分片的话，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。可以看出传送同样多的数据，UDP协议要比TCP传送的数据多，但从这一点来说UDP速度也要比TCP快。

下面对一些字段做个简单介绍：

• 4位版本：比如IPv4、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。由于它是一个4比特字段，因此首部最长为60个字节
• 16位总长度：一共16位，理论最大长度为65535字节，但是受硬件限制，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：允许分片，1：不允许。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，因为13位，所以支持的最大字节为8192
• 8位生存时间TTL：规定网络数据包在网际层传输时，最多可以经过路由器的个数，它的大小一般为256/64，每经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

从上面的介绍我们知道，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，因此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），但是一个IP数据报则可能会有8192字节，超过以太帧的最大限制，那么这时就需要IP分片，分批进行传输。

发送方会在IP层将要发送的数据分成多个数据包分批发送，而接收方则将数据按照顺序再从新组织起来，等接收到一个完整的数据报之后，然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

我们知道，协议本身并没有对数据在各个层中间怎么传递做出要求，比如嵌入式实现和BSD实现就不太一样，因为嵌入式内存比较少，数据在层与层之间传递时会尽量避免数据拷贝，而只是指针的操作。下面我们以嵌入式中用的比较多的LwIP举例

LwIP允许的最大IP由如下决定：IP_REASS_MAX_PBUFS决定IP分片允许最大pbuf数量，IP_REASS_MAXAGE分片的生存时间，超过则错误并将之前接收的IP分片丢弃。

如果数据大于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，这个通过IP_REASS_FREE_OLDEST来使能。

当为UDP协议时，如果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包由于无缓冲区描述符而丢弃，UDP没有重传机制，很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，因此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一般为1460.所以，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：允许分片，1：不允许。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位因此支持最大IP数据包为8192字节。

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