TCP/IP 協議難點之一—— IP分片

1 IP協議簡單介紹

就我的而言，網絡中，拋開網絡安全加密這些，就只單單討論協議自己，比較難的有三個地方： 

• IP分片與重組
• TCP滑動窗口與TCP狀態的改變
• TCP定時器

其實協議自己根據《TCP/IP詳解卷1》理解起來並不難，可是實現起來就很難：數據的操做，標誌位的設置，網絡狀態的變換，中斷多線程通信等等；

在下圖的七層網絡協議參考模型中，IP層屬於網絡層，網絡層最主要的做用就是：將指定IP的數據報傳輸到對應的主機。

下圖是以太幀封裝格式(RFC 894)，RFC 894封裝格式也是咱們最經常使用的。

下面作個簡單介紹：

• 目的地址：6字節，即咱們常說的以太網物理地址，這裏是目標主機的物理地址，物理地址爲惟一的。你們可能疑惑，發送網絡數據時只寫了IP地址，並無寫目的地址啊。這個是底層協議實現的，根據ARP協議，首先將目的地址設爲全1，而後根據IP地址來獲取目的地址。
• 源地址：6字節，發數據時本身的物理地址。
• 類型：2字節，協議類型，好比0x0800表明IP協議,0x0806表明ARP協議等等
• 數據：802.3標準規定，一個以太幀最少64字節，最大1518字節，那麼去掉6字節目的地址、6字節源地址、2字節類型、4字節CRC，對應區間即爲48~1500字節，若是不足48字節能夠填充。
• CRC:顧名思義，校驗部分，因此網絡數據是很準確的，並且絕大多數都支持硬件CRC校驗，速度很是快，幾乎不會在這上面消耗時間。

下面再看看數據部分：IP數據報

圖中從左到右爲0~31位，共四個字節，從上到下依次增加，IP頭部佔20字節，剩下的爲數據，若是傳輸層爲TCP則還有20字節的TCP頭部，若是是UDP則還有8字節(若是分片的話，中間的包沒有UDP頭部，即0字節)的UDP頭部。剩下的纔是真正的用戶要傳送的數據。能夠看出傳送一樣多的數據，UDP協議要比TCP傳送的數據多，但從這一點來講UDP速度也要比TCP快。

下面對一些字段作個簡單介紹：

• 4位版本：好比IPv四、IPv6
• 4位手部長度：指的是首部佔32 bit字的數目，包括任何選項。因爲它是一個4比特字段，所以首部最長爲60個字節
• 16位總長度：一共16位，理論最大長度爲65535字節，可是受硬件限制，和其它方面的考慮，大部分路由器或主機支持8192字節。
• 3位標誌：標識是否IP分片.第一位無用，第二位0：容許分片，1：不容許。第三位0：最後一片，1：後面還有分片
• 13位片偏移：此分片在原始數據的偏移，用於分片重組，由於13位，因此支持的最大字節爲8192
• 8位生存時間TTL：規定網絡數據包在網際層傳輸時，最多能夠通過路由器的個數，它的大小通常爲256/64，每通過一個路由值就會減1，當它爲0時，數據會被丟棄，並回傳一個ICMP包來通知發送者。

2 IP分片

從上面的介紹咱們知道，一個以太幀最大爲1518字節 （14字節以太首部，20字節IP首部，UDP8/TCP20，所以IP包每次最大爲1500==MTU。去掉協議頭UDP有效數據1472字節，TCP爲1460字節。還有最後的4字節CRC），可是一個IP數據報則可能會有8192字節，超過以太幀的最大限制，那麼這時就須要IP分片，分批進行傳輸。

發送方會在IP層將要發送的數據分紅多個數據包分批發送，而接收方則將數據按照順序再重新組織起來，等接收到一個完整的數據報以後，而後再提交給上一層傳輸層。

注意，TCP協議爲可靠的傳輸協議，它避免了IP分片的發生，它會在TCP層對數據進行處理，對數據進行分段(不在詳述)，IP分片用的多的在UDP協議

咱們知道，協議自己並無對數據在各個層中間怎麼傳遞作出要求，好比嵌入式實現和BSD實現就不太同樣，由於嵌入式內存比較少，數據在層與層之間傳遞時會盡可能避免數據拷貝，而只是指針的操做。下面咱們以嵌入式中用的比較多的LwIP舉例

LwIP容許的最大IP由以下決定：IP_REASS_MAX_PBUFS決定IP分片容許最大pbuf數量，IP_REASS_MAXAGE分片的生存時間，超過則錯誤並將以前接收的IP分片丟棄。

若是數據大於IP_REASS_MAX_PBUFS則有兩種選擇，一,直接刪除數據返回；二，是刪除生存時間最長的IP分片PBUF，這個經過IP_REASS_FREE_OLDEST來使能。

當爲UDP協議時，若是緩衝區描述符大小小於完整的IP數據包，IP分片數據包到來時，很快將描述符耗盡，後來的IP包因爲無緩衝區描述符而丟棄，UDP沒有重傳機制，極可能永遠不會接收到完整的IP分片包。從而大於IP_REASS_MAXAGE出現錯誤，所以緩衝區描述符也應增大以適應IP分片重裝。

TCP發送數據時，將大於MSS的數據分段（segment不叫分片）,MSS通常爲1460.因此，TCP數據包不會在IP層分片。

IP頭部有3位標誌字段，標誌是否爲分片包。第一位無用，第二位0：容許分片，1：不容許。第三位0：最後一片，1：後面還有分片。13位offset表示偏移，用於IP重組時數據排序，13位所以支持最大IP數據包爲8192字節。

標準的BSD協議實現以下圖所示，採用兩個結構體，IPQ爲表頭，將各個IP分片表頭鏈接起來，並存儲IP信息。Ipasfrag爲具體的分片數據。