数据包分片、重组过程 - MTU原理及相关问题分析

4、超过MTU值的数据包分片、重组过程：

　　IP包的格式如下：

　　

 

　　IP包的分片重组牵涉到IP包头的几个重要字段，主要是标识符、标识位、偏移量，分别详述如下：

　　标识符(Identification)：在发送数据包前，发送主机给每个数据包一个ID值，放在16位的标识符字段中。此ID用于标识唯一的数据报或数据流。接收主机利用此ID对收到的数据报进行重组。当分片的IP数据报从源地址发送到目的地址的时候，由于网络延迟或者不同的传输路径的关系，在到达目的主机时，这些分片数据报并不总是有序的到达，而是处于一种无序状态，因此，接收主机便用此ID判断接收的这些分片数据报是否属于同一个数据流，然后再进行重组。

　　标志(Flags)：第一个bit称为R位，目前保留未用。第二个bit称为DF位，Don't Fragment，“不分片”位，即如果将这一比特置1 ，表示上层应用不允许分片，IP层将不对数据报进行分片。第三个bit称为MF位，More Fragment，“更多的片”。除了最后一个数据分片外，其他每个组成数据报的数据分片都要把该比特置1，表示有更多的分片。

　　偏移量(Framentation offset)：13位的偏移量字段用来表示分段的数据报在整个数据流中的位置，即相当于分片数据报的顺序号。发送主机对第一个数据报的偏移量置为0，而后续的分片数据报的偏移量则以网络的MTU大小赋值。偏移量对于接收方进行数据重组的时候，这是一个唯一依据。对于分片的数据段(单位：字节)必须为8的整数倍，否则IP无法表达其偏移量。

　　了解了数据分片的几个关键字段后，我们找一个实例说明分片过程(从网上摘录)：

　　在MTU为1500的以太网中，源主机如果需要通过UDP传送3000字节的数据到目的主机，这时的分段情况如下所示(假定在同一网段)：

　　

 

　　此处需要注意的是对于分片1的报头，相对于其他两个分片的报头要多8个字节UDP协议报头的开销。因此，在计算实际传输的数据净载荷时，分片1要多减去8字节UDP报头。最后，接收主机通过包ID、标识位、偏移量值将数据重组成完整的数据。

　　需要注意是，有些数据包在一次分片后，由于遇到更小MTU的网络，还可能被继续分片。为数据包分片和为数据包再次分片的区别在于网关处理MF位的不同。在一个网关为原来未分片的数据包分片时，除了末尾的数据包片，它将其余所有分片上的MF位置为1，最后一片为0。然而，当网关为一个非末尾的数据包片再次分片时，它会把生成的所有子分片中的MF位全部调为1，因为所有这些子分片都不可能是整个数据包末尾的数据包。分片中标志字段的M值取决于该分片是否是原始分组的最后一片，而片偏移量也是相对于原始分组的偏移量。

　　三、MTU对上层应用的影响：

　　1、TCP、UDP等上层应用传输效率的高低与PMTU有密切联系。

　　对TCP来讲，其传输效率与MSS的合适大小密切相关，而MTU是决定MSS大小的唯一因素。MSS的大小会在TCP连接建立阶段进行协商，具体协商过程如下：

　　TCP client发出SYN报文，其中option选项填充的MSS字段一般为(MTU-IP头大小-TCP头大小)，同样TCP server收到SYN报文后，会发送SYN+ACK报文应答，option选项填充的mss字段也为(MTU-IP头大小-TCP头大小);协商双方会比较SYN和SYN+ACK报文中MSS字段大小，选择较小的MSS作为发送TCP分片的大小。

　　理论上，如果MSS与合适的MTU即PMTU(我认为合适的PMTU为路径上可不分片通过的最大MTU)匹配，TCP传输效率最高，因为免去了分片、重组等工作。但由于PMTU发现过程无法保证，导致最终发现的MTU可能并不合适路径传输，造成部分应用的分片和重组，降低了传输效率。

　　2、部分网络设备对特定应用的分片报文处理能力弱，造成部分应用故障。

　　目前，国内宽带IP网络多数用户采用PPPOE拨号方式实现业务接入。位于电信运营商内侧的BAS设备用于终结PPP连接，实现用户接入汇聚。实际应用中，部分BAS设备对VPDN等特定应用的分片、重组机制不健全，造成部分基于VPDN方式的业务速度缓慢。如：笔者曾发现过某厂商BAS设备ME60当TSU板未启用时，其于L2TP隧道的VPDN拨号应用，经常出现业务访问缓慢，甚至不通的情况，当启用TSU板后，业务恢复正常(经了解，TSU板是专门用于基于隧道或其它协议数据包分片处理功能)。某厂商设备SE800，承载了基于L2TP隧道的VPDN拨号应用后，部分应用可以使用，部分应用无法正常运行。

　　3、部分网络安全设备对分片的重组过程进一步影响业务应用。

　　原则上，当某个网络应用业务在传输过程中发生分片后，只有发送端和接收端会进行分片的重组，这已经影响到业务运行速度。当分过片的IP包经过网络监测设备、安全系统等设备时，基于安全和其它特定目的，有些设备要求完成数据包的分片和重组，会进一步延缓应用的运行速度，甚至导致部分应用无法使用。