计算机网络原理 - IP分片

在计算机网络中，IP分片是一种将IP数据报分割成更小的片段的过程。这种分片机制是为了解决网络传输中的MTU限制（Maximum Transmission Unit）而引入的。本文将介绍IP分片的原理、过程和相关概念。

IP分片的原理

IP分片是在网络层（IP层）进行的，它将大的IP数据报分割成多个较小的片段，以适应不同网络中的MTU限制。MTU是指在某个网络中能够传输的最大数据包大小。当一个IP数据报的大小超过了网络的MTU限制时，就需要进行分片。

IP分片的原理是将原始的IP数据报拆分成多个片段，并在每个片段的首部中添加一些额外的信息，以便接收端能够正确地重新组装这些片段。在发送端，IP层将原始的IP数据报分割成多个片段，并为每个片段设置相应的标识、偏移量和标志位等字段。在接收端，IP层根据这些字段重新组装片段，恢复原始的IP数据报。

IP分片的过程

IP分片的过程如下：

1. 发送端的IP层检查待发送的IP数据报的大小是否超过了网络的MTU限制。
2. 如果超过了MTU限制，发送端的IP层将原始的IP数据报分割成多个片段。
3. 对于每个片段，发送端的IP层设置相应的标识、偏移量和标志位等字段。
4. 发送端依次发送这些片段到网络中。
5. 接收端的IP层接收到这些片段后，根据标识和偏移量等字段进行排序和组装。
6. 接收端的IP层将组装好的IP数据报交给上层的协议进行处理。

相关概念

在IP分片中，有一些相关的概念需要了解：

• 标识（Identification）：用于标识一个IP数据报的唯一性，接收端根据标识来判断是否属于同一个IP数据报的片段。
• 偏移量（Fragment Offset）：表示片段在原始IP数据报中的位置，以8字节为单位。接收端根据偏移量来确定片段的顺序。
• 标志位（Flags）：用于指示片段的状态，包括"不分片"（DF）和"更多片段"（MF）等。
• 片段长度（Fragment Length）：表示片段的长度，包括片段首部和数据部分。
• 校验和（Checksum）：用于校验IP数据报的完整性。

IP分片试题

最大传输单元(MTU)：
网络链路存在MTU (最大传输单元)—链路层数据帧可封装数据的上限
不同链路的MTU不同

大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被“分片” (fragmented)
1个IP分组分为多片IP分 组
IP分片到达目的主机后进行“重组”
IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序——总长度、标识、标志位和片偏移

标识字段占16位：标识一个IP分组

IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识
标志位字段占3位：

DF
(Don’t Fragment)：不分组
MF
(More Fragment)：是否为分组的最后一个

DF =1：禁止分片；
DF =0：允许分片；
MF =1：非最后一片；
MF =0：最后一片(或未分片)

片偏移字段占13位：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量

片偏移字段以8字节为单位
IP分片过程
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M；
若L>M，且DF=0，则可以/需要分片
分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识
通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片

一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数，因此，一个最大分片可封装的数据为：

M减去20除以8，向下取整，再乘8
需要的总片数为：
L减去20除以d，向上取整

总结

IP分片是一种将IP数据报分割成多个片段的机制，用于解决网络传输中的MTU限制。它通过在每个片段的首部添加一些额外的信息，使得接收端能够正确地重新组装这些片段。在实际的网络通信中，IP分片是由操作系统的网络协议栈自动完成的，应用程序无需关心具体的分片过程。

虽然IP分片可以解决MTU限制的问题，但它也会增加网络传输的复杂性和延迟。因此，在设计网络应用时，应尽量避免产生过大的IP数据报，以减少IP分片的发生。