数据的TCP分段和IP分片

本文简述下TCP分段和IP分片的区别与联系。

我们知道，用户空间的数据拷贝到内核空间的TCP发送缓冲区（这个是一个结构体，叫sk_buffer，简称skb）后就由内核网络协议栈做后续的封装和发送处理了，用户无需考虑下层的网络问题。
按理来说，MAC帧中搭载的数据部分越长，则一次可发送的数据越多，即数据发送效率就越大。但是由于数据链路的负载能力不是没有上限的，而且为了更方便差错控制，每一种数据链路层协议都规定了数据帧的数据部分上线，即最大传送单元MTU，MAC协议的MTU是1500字节。
这个1500字节不包括以太网的帧头、帧尾，而是包括IP头、TCP头和数据部分。
因此，IP层如果封装后的报文大于1500字节，那就违反了MAC协议，因此无法被封装成MAC帧，IP层此时必须将数据进行分片。

而这1500字节里，还有固定的IP报头20字节，TCP报头的20~60字节（一般是20字节），因此从TCP发送缓冲区到封装成TCP报文，TCP层也需要对数据进行分段，使其起码要小于1460.当然具体来说是小于（MTU - IP头长度 - TCP头度），这个长度成为最大报文长度MSS，英文全称Maximum Segment Size。

这个过程如下图：

问题一：为什么IP对数据分片了，还要TCP分段？

既然IP层会迫于MTU的限制而对数据报进行分片，使其符合MAC协议，并能够正常在以太网中传输。IP层使得数据报满足了MTU，那里面负载的数据肯定小于MSS呀，为什么还需要TCP分段呢？
因为对于一份很大的数据，如果只是IP分片，那么某个数据片丢失后，TCP的重传机制是对这整个数据进行重传，IP是它的下层协议，它不知道IP对这个数据分了多少片，自然也不知道是哪个片丢失了。
而TCP也分段之后，该段数据丢失了，那么TCP只需要重传这一段就可以了。

问题二：TCP有分段，IP还要分片吗？

既然TCP的分段使得数据满足了MSS的要求，肯定也就满足了MTU的要求吧，为什么IP层还是需要对数据分片。

IP分段取决于MTU大小，这个是和网络负载能力有关的。实际上，不同链路负载能力不同，不是所有链路大小都是1500字节。比如IP数据报在到达某路由器时，接下来要走的链路的MTU更小，那么路由器会在IP层对其继续分片，使其满足后面的链路的MTU要求。