深入理解Linux网络技术内幕——IPv4 分段与重组

淡淡的烟草味﹌ 2022-08-08 12:51 332阅读 0赞

封包的分段和重组是IP协议最重要的工作之一。

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IPv4报头中有一个len字段（用于表示报文的总长度,单位：字节）占16bit，因此，封包的最大尺寸定义为64K，（2^16/1024=64)。

但是，在实际网络传输中，没有几个网络接口能够传输64K这么大的封包，而是有一个MTU表示其最大传输单元。这样，当要传输的封包大于MTU时，就需要对封包进行分段。 这里需要说明，我们指的MTU，不仅仅是出口设备的MTU，它取决于很多因素，如路由表项所用的MTU、出口设备的MTU等。

我们先不用过多与关注MTU如何计算，而应该注意，当封包大于MTU时，需要将封包分为一些大小相等（MTU大小）的片段，然后再分别进行传输。（当然，封包不一定能以MTU大小等分， 因而最后一个封包的大小可能达不到MTU这一尺寸）。

分段后的封包一般传输到目的主机后才进行重组，但是一些中间设备（如防火墙、NAT路由器设备）可能需要查看封包的完整内容，这是也可以对封包进行重组。

**分段与重组对上层的影响**

分段和重组是会占用CPU和内存，消耗带宽等，过多的分段和重组工作可能会影响系统整体性能，如果我们能够做一些优化，避免不必要的分段重组，就可以减少一些开销。优化工作在上层（L4、L5）进行。

我们举个例子看下一些不必要的分段：

A->B->C ：   封包（1000字节）从系统A要经过B传给目的系统C，A->B  MTU为 800字节， B->C的MTU为512

在没有优化的情况下，在A->B时，先根据A->B的MTU将封包分段为800字节和200字节，在B->C时，在根据其MTU，包A传来的800字节的封包在分段为512字节和188字节。

而如果我们做一些优化，实现了解到A->B->C这一路径的MTU为512（取800和512的较小值），那么在A主机上直接将分包分为512字节和488字节。如此，就只需要进行一次分段，减少了系统开销。

TCP和UDP是不了解分段和重组的过程的，但是应用层却可以了解。

路径MTU发现功能可以发现整条路径的MTU（PMTU）。

RFC也规定主机至少要能接收576大小的封包，因而也可以吧MTU设置为576这一安全值。

## 分段与重组的实现 ##

IPv4报头中，有一些字段用于分段和重组

**Flags ：**─ 由3位字段构成，其中最低位（MF）控制分片，存在下一个分片置为1，否则置0代表结束分片。中间位（DF）指出数据包是否可进行分片。第三位即最高位保留不使用，但是必须为0。  
**Fragment Offset ：─** 13位字段，指出与源数据报的起始端相关的分片数据位置，支持目标IP适当重建源数据报。

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