IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片與重組分析

前言

　　在IP協(xié)議的報(bào)頭中，除了TTL字段，還有幾個(gè)字段是非常重要的，這就是我們今天要討論的標(biāo)識符、標(biāo)志位以及偏移量，這3個(gè)字段在IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片與重組中，是非常重要的字段。

　　我們都知道，不同類型的網(wǎng)絡(luò)，其MTU(最大傳輸單元)各不相同，如以太網(wǎng)中，最大的傳輸幀為1518字節(jié)，F(xiàn)DDI為4500字節(jié)，令牌環(huán)幀在4500字節(jié)到17800字節(jié)之間，而IP協(xié)議的一個(gè)重要功能，就是能夠?qū)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)大于硬件接口的MTU時(shí)，對其進(jìn)行分段傳輸。即大于MTU的數(shù)據(jù)報(bào)將被分為2個(gè)或多個(gè)的合適的大小被傳輸。一個(gè)分片在到達(dá)接收主機(jī)的路徑中，還可能被繼續(xù)分片，因此，分片的IP數(shù)據(jù)報(bào)可能會(huì)以不同的路徑傳輸?shù)浇邮罩鳈C(jī)，接收主機(jī)通過一系列的重組，將其還原為一個(gè)完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)，再提交給上層協(xié)議處理。

　　IP標(biāo)識符

　　IP標(biāo)識符、標(biāo)志、偏移量3個(gè)字段在IP報(bào)頭中的位置如下圖1所示：

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/353701.htm
　　在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)前，發(fā)送主機(jī)給每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)一個(gè)ID值，放在16位的標(biāo)識符字段中。此ID用于標(biāo)識唯一的數(shù)據(jù)報(bào)或數(shù)據(jù)流。接收主機(jī)利用此ID對收到的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重組。正如前面所說，當(dāng)分片的IP數(shù)據(jù)報(bào)從源地址發(fā)送到目的地址的時(shí)候，由于網(wǎng)絡(luò)延遲或者不同的傳輸路徑的關(guān)系，在到達(dá)目的主機(jī)時(shí)，這些分片數(shù)據(jù)報(bào)并不總是有序的排列，而是處于一種無序狀態(tài)，因此，接收主機(jī)便用此ID判斷接收的這些分片數(shù)據(jù)報(bào)是否屬于同一個(gè)數(shù)據(jù)流，然后再進(jìn)行重組(重組將在偏移量中討論)。

標(biāo)志

　　標(biāo)志字段在IP報(bào)頭中占3位，第1位作為保留，置0;第2位，分段，有兩個(gè)不同的取值：該位置0，表示可以分段;該位置1，表示不能分段;第3位，更多分段，同樣有兩個(gè)取值：該位置0，表示這是數(shù)據(jù)流中的最后一個(gè)分段，該位置1，表示數(shù)據(jù)流未完，后續(xù)還有分段，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)沒有分段時(shí)，則該位置0，表示這是唯一的一個(gè)分段。見下圖2：

　　當(dāng)目的主機(jī)接收到一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，會(huì)首先查看該數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識符，并且檢查標(biāo)志位的第3位是置0或置1，以確定是否還有更多的分段，如果還有后續(xù)報(bào)文，接收主機(jī)則將接收到的報(bào)文放在緩存直到接收完所有具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)報(bào)，然后再進(jìn)行重組。

　　更多分段位能夠讓接收主機(jī)判斷分片的數(shù)據(jù)報(bào)是否發(fā)送完畢;而分段位除了能夠?qū)?shù)據(jù)報(bào)分段，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)另一個(gè)用途，在某些情況下，可以利用分段位動(dòng)態(tài)的找到網(wǎng)絡(luò)端到端的MTU大小。如果路由器配置時(shí)，置此位為0，則當(dāng)主機(jī)嘗試發(fā)送一個(gè)比傳輸路徑上的數(shù)據(jù)報(bào)大的幀時(shí)，路由器不轉(zhuǎn)發(fā)該幀，而是丟棄，并給源主機(jī)發(fā)送ICMP報(bào)文，說明該數(shù)據(jù)報(bào)太大，源主機(jī)利用此信息調(diào)整數(shù)據(jù)報(bào)大小，再重新發(fā)送。

　　偏移量

　　13位的偏移量字段用來表示分段的數(shù)據(jù)報(bào)在整個(gè)數(shù)據(jù)流中的位置，即相當(dāng)于分片數(shù)據(jù)報(bào)的順序號。發(fā)送主機(jī)對第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的偏移量置為0，而后續(xù)的分片數(shù)據(jù)報(bào)的偏移量則以網(wǎng)絡(luò)的MTU大小賦值。偏移量對于接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)重組的時(shí)候，這是一個(gè)關(guān)鍵的字段。對于分片的數(shù)據(jù)段(單位：字節(jié))必須為8的整數(shù)倍，否則IP無法表達(dá)其偏移量。如下圖3所示：

　　以太網(wǎng)中，源主機(jī)如果需要通過UDP傳送3000字節(jié)的數(shù)據(jù)到目的主機(jī)，這時(shí)的分段情況如下圖4所示(在同一網(wǎng)段)：

　　此處需要注意的是對于分片1的報(bào)頭，相對于其他兩個(gè)分片的報(bào)頭而言，要多出8個(gè)字節(jié)UDP協(xié)議的報(bào)頭開銷，因此，在計(jì)算實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)凈載荷時(shí)，分片1要多減去8字節(jié)UDP報(bào)頭。最后，接收主機(jī)通過此偏移值將數(shù)據(jù)重組成完整的數(shù)據(jù)報(bào)。

　　總結(jié)

　　IP協(xié)議雖然是我們司空見慣的一個(gè)協(xié)議，但是，對于其報(bào)頭結(jié)構(gòu)，報(bào)頭中每個(gè)字段的含義，還是需要我們不斷學(xué)習(xí)，才能真正理解IP協(xié)議的精髓。