网络基础 — 浅析IP/TCP协议分片

男娘i 2022-06-01 14:35 616阅读 0赞

# 浅析IP/TCP协议分片 #

首先我们需要知道一个概念,MTU是链路层中的网络对数据帧的一个限制，以以太网为例，MTU为1500个字节. 一个IP数据报在以太网中

传输，如果它 的 长度大于该MTU值，就要进行分片传输，使得每片数据报的长度小于MTU. 分片传输的P数据报不一定按序到达，但IP首

部中的信息能让这些数据报 片按 序组装. IP数据报的分片与重组是在网络层中进行完成的.

我们所熟知的应用层程序之间进行网络数据传输时，在发送端，数据会从应用层沿着协议栈向下传输，通过TCP/IP层，然后经由链路

层发送出去， 而在接收端，则是相反的顺序，数据经由链路层接受，然后沿着协议栈向上传输，通过IP/TCP层，最后由应用程序进行

读取.  而在IP层往链路层传 输数据的时候，如果数据大小大于等于我们的MTU时, 通常会在IP层进行一个分片操作. 而我们的TCP的数

据报！ 他们需要尽量避免在IP层被分片. 因为如果在IP层进行分片的话，如果其中的某片的数据丢失了，对于保证可靠性的TCP协议

来 说会增大数据报重传的概 率. 而且你会重传整个TCP分 组，因为TCP层是不知道IP层进行分片的细节的，它也不关心.

![SouthEast][]

当TCP层进行TCP分组的重传时，还会直接影响到应用程序的性能，特别是在应用程序使用阻塞IO进行读写的时候. 在我们的应用层

程序中，我们可 以有自己的发送缓冲区，而TCP层本身也有自己的一个发送缓冲区. 当我们在应用层往TCP层当中写数据的时候，实

际上是将应用层发送缓冲区的数 据拷贝至TCP层的发送缓冲区中. 当TCP层的发送缓冲区满或者网络空闲的时候，TCP层就会将其缓

冲区中的数据通过IP层传到链路层的发送队列中. 如果TCP的发送缓冲区满并且应用层的数据没有写完时，内核会将write系统调用

挂 起，并不返回给应用程序，直到应用层的数据全部拷贝至TCP层 的缓冲区中. 而由于TCP层要保证数据包的可靠性，既数据包丢

失时 要进行重传，那么TCP层在往网络发送TCP分组后，需要在其发送缓冲区中暂时保 存发出的TCP分组数据用于后续可能的重传.

所以 如果你的IP层对TCP的数据进行了分片，导致TCP数据丢失，那么缓冲区当中的数据无法及时清除， 因为他可能会重发. 那么就

会 有可能使得应用层程序一直在write系统调用处挂起等待，引起性能的下降.

### TCP层避免数据被IP层分片所做的努力 ###

首先我们回顾一下TCP建立连接的3次握手！

![SouthEast 1][]

其实呢 在这3次握手中，除了确认SYN之外，通信的两端还协商了一个值， MSS(最大分段大小)是TCP里的一个概念. MSS是TCP数据包

每次能够传输的 最大数据分段，TCP报文段的长度大于MSS时,就需要进行分段传输. TCP协 议 在建立连接的时候通常要协商双方的MSS

值，每一方都有用于通告它期望 接受的MSS选项(MSS选项只出现在SYN报文段中，既TCP三次握手的前两 次).  MSS的值 一般为MTU值减

去两个首部大小所以如果用链路层以太网，MSS的 值往往为1460.而Internet上标准的MTU位  676，那么如果不设置，则 MSS的默 认

值就为636个字节. 很多时候，MSS的值最好取512的倍数. TCP报文 段的分段与重组是在运输层完成的.

到了这里有一个问题自然就非常明了了，TCP分段的原因是MSS，IP分片的原因是MTU，由于一直有MSS<=MTU，很 明显，分段后每一

段 TCP报文段TCP 报 文 段再加上IP首部后的的长度不可能超过MTU，因此也就不需要再网络层进行IP分片了，因此TCP报文段很少会 发

生 IP分片的情况. 再来看UDP数据 报，由 于UDP数据报不需要保证可靠性，所以他不用保存发送的数据包，由于IP层本身也没有缓冲

区， 数据就会直接写到链路层的输 出队列中，在这种情况中，IP层会不会对来自UDP的数据进行分片，这个取决于UDP的大小和

MTU的比 较，如果大于MTU,IP对数据报就会分片，如果小 于MTU，IP层直接加上IP头部发送到链路层的输出队列中

MSS(最大分段大小)是TCP里的一个概念. MSS是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段，TCP报文段的长度大于MSS时,就需要进行分段

传输. TCP协 议 在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值，每一方都有用于通告它期望接受的MSS选项(MSS选项只出现在SYN报文段中，

既TCP三次握手的前两 次).  MSS的值 一般为MTU值减去两个首部大小所以如果用链路层以太网，MSS的值往往为1460.而Internet

上标准的MTU位  676，那么如果不设置，则 MSS的默 认值就为636个字节. 很多时候，MSS的值最好取512的倍数. TCP报文段的分段与

重组是在运输层完成的. 到了这里有一个问题自然就非常明了了，TCP分段的原因是MSS，IP分片的原因是MTU，由于一直有MSS<=MTU，

很明显，分段后每一段TCP报文段TCP报 文 段再加上IP首部后的的长度不可能超过MTU，因此也就不需要再网络层进行IP分片了，因此

TCP报文段很少会发生IP分片的情况.再来看UDP数据 报，由 于UDP数据报不会自己进行分段，因此当长度超过了MTU时，会在网络层进行

IP分片. 同样的,ICMP同样会出现IP分片情况 再来看UDP数据报， 由于 UDP数据报不会自己进行分段，因此当长度超过了MTU时，会在

网络层进行IP分片，同样的，ICMP同样会出现IP分片的情况.

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