【计算机网络】区分tcp分段和ip分片

• tcp分段和ip分片很多人搞不清楚，事实上两者代表的内容并不相同

• 既然有了tcp分段为什么还要ip分片呢？tcp协议在网络上还会出现ip分片吗？

• 什么是链路MTU？什么又是MSS？MTU和MSS都是有什么关联？分段和分片究竟有没有可能同时发生？

1.什么是TCP分段？

在学习TCP/IP协议时都知道，TCP协议是基于连接和流的传输协议，当需要传输的TCP报文很大的时候就会发生分段的操作，所谓TCP分段就是将需要传输的大TCP包切割成n个适合链路传输的小段，然后这些小段就称之为TCP分段，这些TCP分段达到目的端可以进行重组，重组后就会构成原来的大TCP包。

既然都指定了是TCP分段，那么很明显，TCP分段的操作发生于传输层，分段的操作只会在TCP协议中发生，同样为传输层的协议，UDP协议不会出现分段操作，只会出现ip分片的行为，具体原因可以见下文介绍

2.什么是IP分片

IP分片和分段行为不同，虽然也是对大数据包切割为n个小片，但是IP分片是工作在网络层，TCP协议和UDP协议的数据包在传输到网络层的时候均有可能发生IP分片的操作，但是IP分片和IP重组会影响数据传输的性能，所以一般情况基于TCP协议工作都会尝试避免IP分片。

这里你一定开始有了几个问题？

• 什么情况会发生TCP分段和IP分片呢？

• TCP协议如何避免IP分片？分段和分片会在TCP协议下同时工作吗？

• UDP协议为什么没有分段操作，只有分片操作呢？

那么，带着问题继续了解下面的内容，能找到你想要的答案！

3.什么是MTU?

最大传输单元(Maximum Transmission Unit)，即MTU，为数据链路层的最大载荷上限(即IP数据报最大长度)，每段链路的MTU可能都不相同，一条端到端路径的MTU由这条路径上MTU最小的那段链路的MTU决定。

MTU是链路层中的网络对数据帧的一个限制，例如在以太网中，MTU通常为1500字节，如果采用巨帧(Jumbo Frame)时可以达到9000字节。所谓的MTU，是二层协议的一个限制，对不同的二层协议可能有不同的值，只有二层协议为以太网(Ethernet)时，MTU一般才取1500字节，注意它不是物理链路介质的限制，只有工作在二层的设备才需要指定MTU的值，如网卡、转发设备端口(统称为网络接口)等，通过同一段线缆直连的通信端口或网卡，其MTU值一定相同。

一个IP数据报在以太网中传输，如果它的长度大于当前链路MTU值，就要进行分片传输(这里指IP层分片)，保证每片数据报的长度都不超过MTU。另外需要明确一点的是，分片传输的IP数据报不一定按序到达，乱序的IP分片根据IP首部中的信息，能让这些数据报片按序重组。IP数据报的分片与重组是在网络上层完成的。

4.什么是MSS?

最大报文段长度(Maximum Segment Size)，即MSS，为TCP传输层的最大载荷上限(即应用层数据最大长度)，TCP三次握手期间通过TCP首部选项中的MSS字段通知对端，通常一条TCP连接的MSS取通信双方较小的那一个MSS值，与MTU的换算关系为：

MTU = MSS + TCP首部长度 + IP首部长度

故在以太网中(网络层以IPv4为例)：

MSS = 以太网MTU - TCP首部长度 - IPv4首部长度 = 1500 - 20 - 20 = 1460字节

如果未指定MSS大小时默认值为536字节，这是因为在Internet中标准的MTU值为576字节，576字节MTU = TCP首部长度20字节 + IPv4首部长度20字节 + 536字节MSS。

一个应用程序如果要发送超过MSS大小的数据，就要进行分段传输(这里指TCP分段)，使得每个报文段长度都不超过MSS。分片传输的TCP报文段也是不一定按序到达，但TCP协议实现了可靠的机制保证乱序的处理，即利用报文段序列号在接收缓冲区进行数据重排以实现重组。TCP分段的重组是在TCP传输层完成的。

正常情况下，IP分片的重组会影响传输的性能，所以在TCP协议下通过保证 MSS<链路最小MTU来避免分片的发生，当MSS总是比MTU小的话，说明每一个分段都可以直接通过传输，但是当MSS>链路最小MTU,超过了传输载荷上线，所以就需要对TCP分段进行IP分片操作，也就是需要对当前的TCP分段切割为多个适合链路MTU传输的IP分片，所以说，分段和分片是会在TCP协议下同时工作的，除非你能保证在TCP三次握手协商的MSS恒小于链路最小MTU

5.分段和分片的发生时机

由上面可知，分段会发生在面向连接、提供可靠传输服务而具备各种复杂机制的TCP协议，但是UDP是简单至极的传输协议，属于不可靠的协议，UDP协议并不会自行分段，也没有所谓的握手操作，当然也就是没有所谓的MSS大小的协商，UDP协议传输数据是如果最终的IP数据报的长度超过了MTU时，就直接交付网络层执行IP分片。同样，(没有分段功能的)ICMP数据在网络层中同样会出现IP分片的情况。

IP分片不仅会发生在在使用UDP、ICMP等没有分段功能的传输层协议的数据发送方，更还会发生在传输途中，甚至有可能都会发生，这是因为原本的大数据报被分片后很可能会经过不同MTU大小的链路，一旦链路MTU大于当前IP分片大小，则需要在当前转发设备(如路由器)中再次分片，但是各个分片只有到达目的地后才会在其网络层重组，而不是像其他网络协议，在下一跳就要进行重组。

• 分段操作可以说只会发生在TCP协议，其他的协议当IP数据包长度超过MTU，就会触发IP分片的发生

• TCP分段协商的MSS小于链路最小MTU的时候，TCP分段到达网络层也会发生IP分片的操作

再次强调的点：

在发送端进行TCP分段后就一定不会在IP层进行分片，因为MSS本身就是基于MTU推导而来，TCP层分段满足了MSS限制，也就满足了MTU的物理限制。

但在TCP分段发生后仍然可能发生IP分片，这是因为TCP分段仅满足了通信两端的MTU要求，传输路径上如经过MTU值比该MTU值更小的链路，那么在转发分片到该条链路的设备中仍会以更小的MTU值作为依据再次分片。

当然如果两个通信主机直连，那么TCP连接协商得到的MTU值(两者网卡MTU较小值)就是端到端的路径MTU值，故发送端只要做了TCP分段，则在整个通信过程中一定不会发生IP分片。

例如下面展示的TCP三次握手：

客户端的网卡MTU设置为1500，服务端网卡MTU设置为1480，中间设备的网卡mtu均设置为1200，当客户端和服务端建立TCP连接的时候，通过三次握手建立连接，建立连接的过程通过wireshake抓包可知：

• 客户端发起SYN包告诉自己可以接受的MSS=1460，即1500-20TCP报文头-20IP报文头

• 服务端响应SYN+ACK包也告诉自己可以接受的MSS=1440,即1480-20TCP报文头-20IP报文头

• 这个属于MSS协商的过程，MSS最终就会取最小的MSS作为连接彼此之间传输的大小，也就是TCP分段大小携带的数据为1440为准

• 但是这个MSS=1440明显大于中间设备的MTU，所以，当出现大包传输的时候，虽然在C/S两段均只会出现TCP分段，但是在传输到中间设备的时候，通过比较MTU发现1440>1200,所以此时的TCP分段就会在中间设备发生IP分片，一个1440的TCP分段需要被切割为两个IP分片，然后进一步传输到目的端进行IP分片重组才能还原四层报文头，因为IP分片只有首片能访问到传输层的报文头，比如源和目的端口信息。

理论上的tcp分段在该拓补中是会发生IP分片的，但是当你实际搭建拓补并尝试抓包观察，你会发现mss的协商并不如上面所示，最终的mss大小也不是1440，而是1160，这是为什么呢？

其实，这属于mss的自我动态调整，是由Path MTU Discovery（路径mtu发现）机制提供的，它帮助我们发现初始协商的mss比链路中的mtu还大，因此，PMTU Discovery帮我们重新调整了合适的mss，保证mss < pmtu,避免了IP分片的发生,如果想要复现上面的实验，那你可以直接将Path MTU Discovery关闭，下一篇介绍如何搭建网络拓补使tcp分段基础下出现IP分片。因此，tcp分段和IP分片是有可能同时发生的！！！

6.TCP和UDP的分片对比

TCP和UDP均为传输层的协议，最大的不同就是TCP是可靠的协议，具备超时重传等保证可靠传输的机制，而UDP是不可靠的协议，也没有所谓的握手和挥手的操作，因此UDP协议自然也没有TCP协议在三次握手时的MSS协商过程，当UDP传输的数据超过MTU的时候，完全交付网络层直接进行IP分片。

另外，IP分片的传输过程是可能发生丢失的，当IP分片出现丢失的时候，不会重传丢失的IP片，而是会重传一整组的IP分片，这也是IP分片被诟病性能差的原因之一，TCP协议上层实现了超时重传机制，当某一个TCP分段包因为IP分片丢失，可以通过TCP协议要求重传IP分片，从而保证数据可靠性传输。

对于UDP，用UDP协议发送64k的数据，那么如果网络发生了波动，丢失了某个IP分片，它不会反馈丢失了哪个分片给发送方的能力，这就意味着：64k的数据全都丢失了，如果需要重传，就得再次完整的传递这64K数据，因此一般使用UDP协议传输也会避免传输巨大数据，特意控制下单个包体的大小，从而提高传输效率。防止不可靠的性质导致频繁重传。

7.IP报文解析

当IP数据报的长度超过帧的MTU时，会被分片传输。分片可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片，但只有在最终的目标机器上，这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。

IP头部中的三个字段给IP的分片和重组提供了足够的信息：数据报标识、标志和片偏移。

一个数据报的每个分片都具有自己的IP头部,它们具有相同的标识值,但具有不同的片偏移。并且除了最后一个分片外，其他分片都将设置MF标识。此外，每个分片的IP头部的总长度字段将被设置为该分片的长度。

IPv4头部结构如下图，其长度通常为20字节，除非含有可变长的选项部分。

• 4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对IPv4来说，值=4。

• 4位头部长度（header length）：标志该IP头部有多少个32bit（4字节）。英文4位最大能表示15，所以IP头部最长位为60字节。

• 8位服务类型（Type Of Service，TOS）：包括一个3位的优先权限字段（现在已经被忽略），4位的TOS字段和1位保留字段（必须置0）。4位的TOS字段分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。一种最多有一个能置为1，应用程序应该根据实际需求来设置它。比如像ssh和telent这样的登录程序需要的是最小延时的服务，而文件传输程序ftp则需要最大吞吐量的服务。

• 16位总长度（total length）：是指整个IP数据报的长度，以字节为单位，以此IP数据报的最大长度为65535字节。但由于MTU的限制，长度超过MTU的数据报将被分片传输，所以实际传输的IP数据报（或分片）的长度都远远没有达到这个最大值。接下来的3个字段则描述了如何实现分片。

• 16位标志（identification）：唯一标志主机发送的每一个数据报。其初始值由系统随机生成，每发送一个数据报，其值就加1。该值在数据分片时，被复制到每个分片中，因此同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。

• 3位标识字段的第一位保留。第二位Don't Fragement，DF表示“禁止分片”。如果设置了这个位，IP模块将不对数据报进行分片。在这种情况下，如果IP数据报长度超过MTU的话，IP模块将丢弃该数据报并返回一个ICMP差错报文。第三位More Fragment，MF表示“更多分片”。除数据报的最后一个分片外，其他分片都要把它置1。

• 13位分片偏移（fragmentation offset）：分片相对原始IP数据报开始处（仅指数据部分）的偏移。实际的偏移值时该值左移3位（乘8）后得到的。由于这个原因，除了最后一个IP分片外，每个IP分片的数据部分的长度必须是８的整数倍（这样才能保障后面的IP分片拥有一个合适的偏移值）。

• ８位生存时间（Time To Live，TTL）：数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。TTL值被发送端设置（常见的值是64）.数据报在转发过程中没经过一个路由，该值就被路由器减1。当TTL值减为0时，路由器将丢弃数据报，并向源端发送一个ICMP差错报文。TTL值可以防止数据报陷入路由循环。

• 8位协议（protocol）：区分上层协议。/etc/protocls文件定义了所有上层协议对应的protocol字段数值。其中，ICMP=1，TCP=6，UDP=17。

• 16位头部校验和（header checksum）：由发送端填充，接收端对其使用CRC算法以检验IP数据报头部（注意，仅检验头部）在传输过程中是否损坏。
  32位源端IP地址和目的端IP地址用来标识数据报的发送端和接收端。一般情况下，这两个地址在整个数据报的传递中保持不变，而不论它中间经过多少个中转路由器。

• 选项字段（option）：可变长的可选信息。这部分最多包含40字节，因为IP头部最长是60个字节（包含前面讨论的20个字节的固定部分）。可用的IP选项包括：

  • 记录路由（record route）：告诉数据报途径的所有的路由器都将自己的IP地址填入IP头部的选项部分，这个我们可以跟踪数据报的传递路径。
    时间戳（timestamp），告诉每个路由器都将数据报被转发时的时间（或时间与IP地址对）填入IP头部选项部分，这个就可以测量途径路由之间的数据报传输的时间。

  • 松散源路由选择（loose source routing），指定一个路由器IP地址列表，数据报发送过程中必须经过其中所有的路由器。

  • 严格源路由选择（strict source routing），和松散源路由选择类似，不过数据报只经过被指定的路由器。

我们也可以直接最简单的ICMP协议对IP分片的报文进行进一步的了解：

以太网的MTU是1500字节，所以携带的IP数据报的数据部分最多是1480字节（IP头部占用20字节）。考虑用IP数据报封装一个长度为1481字节的ICMP报文（包括8字节的ICMP头部，所以其数据部分长度为1473字节），则该数据报在使用以太网传输时必须被分片，如下图所示：

IP分片的报文规律：

• 同一组IP分片具备相同的identification，是一个无符号的16位整型，可表示65535个id，不代表唯一id

• 同一组的IP分片只有首片可以访问到传输层的报文头，中间片和尾片只有IP头

• IP分片的区分规律：

  • 非IP分片：DF=1，MF=0，offset=0

  • 首片：DF=0，MF=1，offset=0

  • 中间片：DF=0，MF=1，offset为对应的偏移值

  • 尾片：DF=0，MF=0，offset为对应的偏移值