IP分片和TCP分段解析--之IP分片

什么是IP分片

IP协议栈将TCP/UDP传输层要求它发送的，但长度大于发送端口MTU的一个数据包，分割成多个IP报文后分多次发送。这些分成多次发送的多个IP报文就是IP分片。

为什么会产生IP分片

TCP/UDP是工作在传输层，依赖于IP协议在网络层提供的服务。IP层又依赖于链路层提供的报文发送服务。链路层会根据链路层协议的不同，会要限制每次发送数据帧的最大长度（称之为Maximum Transmission Unit，最大传输单元，MTU）。所以当TCP/UDP往IP层发送数据时（相当于IP层从TCP/UDP传输层接收到一份要发送的IP数据报），IP层要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果太长了一次发送不下（超过MTU）则需要则需要将这个数据报文，分割成多个IP报文后分多次发送，就产生了IP分片。这就是IP分片产生的原因。因为路由器是工作在IP层，负责IP报文的转发的，所以分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

为什么要避免IP分片

IP分片产生了二个坏的影响：

• IP头部占用了更多的带宽
  IP分片使得原来的一个IP报文，变成了多个IP报文，那么更多的IP报文，就使得IP头部占用了更多的网络带宽，网络传有效载荷的能力下降，使得网络有效吞吐能力下降。
• 增加了报文丢失率
  IP分片发生在IP层，不仅发送商端主机会进行分片，中间的路由器也有可能分片，因为不同的网络的MTU是不一样的，如果传输路径上的某个网络的MTU比发送端网络的MTU要小，路由器就可能对IP数据报再次进行分片。然而，按照IP协议的定义，IP分片数据的重组只会发生在目的端的IP层，即当所有分片都正确到达目的端时，目的端会将这些IP分片重组成一个完整的数据报文，再提供给上层。如果注意这些分片报文中，只有第一片才带有传输层协议的状况信息，所以只要其中任何一个IP分片丢失或者超时，就会引起所有IP分片报文的丢失。此时如果传输层是不支持重传的不可靠协议，比如UDP，那么整个报文就全部丢失了（一个IP分片的丢失，引发所有IP分片的丢弃），这就增加了报文丢失率的，使得网络有效吞吐能力下降。
• 降低了重传效率降低
  IP分片发生在IP层，不仅发送商端主机会进行分片，中间的路由器也有可能分片，因为不同的网络的MTU是不一样的，如果传输路径上的某个网络的MTU比发送端网络的MTU要小，路由器就可能对IP数据报再次进行分片。然而，按照IP协议的定义，IP分片数据的重组只会发生在目的端的IP层，即当所有分片都正确到达目的端时，目的端会将这些IP分片重组成一个完整的数据报文，再提供给上层。如果注意这些分片报文中，只有第一片才带有传输层协议的状况信息，所以只要其中任何一个IP分片丢失或者超时，就会引起所有IP分片报文的丢失。此时如果传输层是支持重传的可靠协议，比如TDP，那么整个报文全部都需要重传（一个IP分片的丢失，引发所有IP分片的重传），这就大大的降低的重传的效率，使得网络有效吞吐能力下降。

如何避免IP分片

• 对于UDP
  我们需要在应用层去限制每个包的大小，应用层在往UDP层发送数据时，就考虑链路上的最小MTU，让自己发送的数据包+IP头+UDP头的总长度不要超过MTU。

• 对于TCP数据
  应用层就不需要考虑这个问题了，因为TCP已经帮我们做了。TCP用TCP的MSS的计算与详解来保证每次发送的TCP报文的数据都不会超过MSS，也就保证了IP数据报不会超过MTU，从而避免了IP分片。