IP分片（碎片）重组简单概念

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feitongxiaoke01 2013-03-07 22:10:40

链路层具有最大传输单元MTU这个特性，它限制了数据帧的最大长度，不同的网络类型都有一个上限值。以太网的MTU是1500，可以用 netstat -i 命令查看这个值。如果IP层有数据包要传，而且数据包的长度超过了MTU，那么IP层就要对数据包进行分片（fragmentation）操作，使每一片的长度都小于或等于MTU。我们假设要传输一个UDP数据包，以太网的MTU为1500字节，一般IP首部为20字节，UDP首部为8字节，数据的净荷（payload）部分预留是1500-20-8=1472字节。如果数据部分大于1472字节，就会出现分片现象。

当提交给数据链路层进行传送时，一个IP分片或一个很小的无需分片的IP数据报称为分组。数据链路层在分组前面加上它自己的首部，并发送得到的帧。

IP首部(5-8字节)包含了分片和重组所需的信息：
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  |       Identification          |R|DF|MF| Fragment Offset |
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  |<-------------16-------------->|<--3-->|<---------13---------->|

Identification：发送端发送的IP数据包标识字段都是一个唯一值，该值在分片时被复制到每个片中。
R：保留未用。
DF：Don't Fragment，“不分片”位，如果将这一比特置1 ，IP层将不对数据报进行分片。
MF：More Fragment，“更多的片”，除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置1。
Fragment Offset：该片偏移原始数据包开始处的位置。偏移的字节数是该值乘以8。

两个Flags和Fragment Offset结合使用，进行分片时，DF比特设置为0，表示可以进行分片，这时如果 MF的值为1，则表示当前IP报文是一个IP包的其中一段分片，并且不是最后一个分片，这时结合Fragment Offset域继续判断；如果MF为1而 Fragment Offset = 0，表示该IP报文为第一个分片，而且后续有分片；如果MF为1而Fragment Offset不是0，表示该IP报文为中间的一个分片；如果MF为0而Fragment Offset不是0，表示该报文是最后一个分片。

另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

可举例说明IP分片重组的过程。
假设分片前报文IHL=5, Total Length = 800, MF = 0, Fragment Offset = 0, MTU为512；
则分片报文1的IHL1 = 5, Total Length1 = 508, MF = 1, Fragment Offset1 = 0；
分片报文2的IHL2 = 5, Total Length2 = 312, MF = 0, Fragment Offset2 = 61。
其中Total Length1 + Total Length2 = 508+312 = 820，比 Total Length多出的20字节为新增的IP头，并且由于偏移量的单位为8Byte，所以非尾片的净荷长度都是8Byte的整数倍，MTU为512Byte，去除IP头IHL*4 = 5*4 = 20Byte后得到512-20 = 492Byte, 492Byte不是8Byte的整数倍，就取488Byte，加上IP头得到488+20 = 508Byte。由于报文1的净荷为488Byte，所以报文2的Fragment Offset就是 488/8 = 61, Total Length2 为总净荷长度(Total Length -IHL*4 = 800-20 = 780Byte)减去报文1的净荷长度488Byte加上报文2的IP头20Byte得到780-488+20 = 312Byte。

同样可假设重组前报文1的IHL = 5, Total Length1 = 1012 , MF = 1, Fragment Offset1 = 0；
报文2的IHL = 5, Total Length2 = 312, MF = 0, Fragment Offset2 = 124。
则重组后的报文IHL = 5, Total Length = 1304, MF = 0, Fragment Offset = 0。
其中报文1的净荷长度为Total Length1 – IHL1*4 = 1012-20 = 992Byte, Fragment Offset1 = O, MF = 1，表示报文1有后续报文并且报文1的后续报文偏移量应该是0*8 + 992 = 992Byte，而报文2的 Fragment Offset2 = 124，则偏移量为124 * 8 = 992Byte，所以报文1和报文2是相连的，并且MF = 0 表示报文2为最后一个分片，此时就得到了原来的报文重组完成，重组后的报文 MF = 0, Fragment Offset = 0，Total Length 为报文1的净荷长度(992Byte)加上报文2的净荷长度(Total Length2 –IHL*4 = 312 - 20 = 292Byte)加上IP报文头20Byte为992 + 292 + 20 = 1304Byte。