IP分片

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IP分片发生在IP层，当数据报长度大于链路层的MTU时，会被分成多个小片以便传输。路径MTU是通信路径上最小的MTU，其发现机制用于避免不必要的分片。分片参数包括标识符、TTL、DF和MF标志以及偏移量，用于分片和重组。分片和重组过程涉及标识符匹配、偏移量计算，以及在目的端的重组。分片可能导致数据丢失和效率降低，因此通常应尽量避免。

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最大传输单元MTU【Maximum Transmission Unit】

以太网和IEEE 802.3对数据帧的长度都有一个限制，其最大值分别是1500和1492字节，链路层的这个特性称作MTU，最大传输单元，不同类型的网络大多数都有一个上限。

如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要进行切片(fragmentation),把数据报分成若干片，这样每一片都小于MTU。

netstat打印出网络接口的MTU

netstat -in
Kernel Interface table
Iface MTU Met RX-OK  RX-ERR RX-DRP RX-OVR  TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg
eth0   1500     0 57041517853   0   0  0 56483114419   0  0   0 BMRU
lo     65536    0 12010204282   0   0  0 12010204282   0  0   0 LRU

路径MTU

当在同一个网络上的两台主机互相通信时，该网络的MTU是非常重要的。但是如果两台主机之间的通信需要通过多个网络，那么每个网络的链路层就可能有不同的MTU。重要的是两台通信主机路径中的最小MTU，它被称作路径MTU。路径MTU在两个方向上不一定是一致的。RFC 1191描述了路径MTU的发现机制。

tracepath -n  10.25.23.58
 1?: [LOCALHOST]     pmtu 1500
 1:  10.10.23.252     0.365ms 
 1:  10.10.23.252     0.333ms 
 2:  10.25.101.109    0.683ms 
 3:  10.25.100.154    0.928ms 
 4:  10.25.23.58      0.689ms reached
Resume: pmtu 1500 hops 4 back 4

IP分片

物理层网络一般要限制每次发送数据帧的最大长度，任何时候IP层接受到一份要发送的IP数据报是，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获取其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。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上。

把一份IP数据报分片后，只有到达目的地才进行重新组装。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重组过程对运输层（TCP和UDP）是透明的，以及防止某些可能的性能减低。已经分片过得数据报有可能会再次进行分片（可能不止一次）。IP首部中包含的数据为分片和重组提供了足够的信息。

尽管IP分片的过程看起来是透明的，但有一点让人不想使用它：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。因为IP层本身没有超时重传机制--由更高层负责超时和重传（TCP有重传和超时机制，但UDP没有，一些UDP应用程序本身也执行超时和重传）。事实上，如果对数据报分片的是中间路由，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的，就是这个原因，经常要避免分片。

分片参数

标识符（identifier）、TTL、DF和MF标志（flags）以及偏移量都是直接服务于将分片重组成元消息的过程。

分组的接收端使用标识符字段识别同一个分组的所有分片，发送组的IP模块用户对当前唯一的值来填充标识符字段。在分组存在于IP互联网中的全过程必须符合该条件，为了确保符合条件，发送组的IP实体可以跟踪指定的标识符。
发送端指定分组存活于网络中的时间TTL
分组分片的偏移量(offset)字段通知接收端此分片在源分组中的位置。因此第一个分片总是拥有0偏移值，若分组没有被拆分，其偏移量也是0.
MF标志设置为1表明着刚到达的分片不是最后一个，发送一个未被分片的分组时，IP实体将MF标志为0
DF标志设置为1表明在任何条件下当前分布都不允许分片，如果为不能被分片的分组无法再部分片的情况下达到目的节点，那么IP实体将丢弃它同时向发送端发送一条前档的ICMP消息。

分片和重组的过程

将新抵达的分组分割成分片之前，安装在路由上的IP为新分片分配多个缓存，然后从源分组的IP头部中拷贝多个字段内容存入这些缓存，从而创建出新分片分组的IP“哑”头部。IP头部的某些参数被拷贝进所有分片头部，其他只保留在第一个分片的头部。分片过程会改变分片IP头部的某些字段值，因此每个分片都有他自己的头部校验和的值、分片偏移地址，以及分钟总长度，除去最后一个分片外，其他所有分片的MF标志都被设为1，最后一个分片设置为0.

分片大小不能超过其下层技术协议的MTU值，其次除去最后一个分片以外，其他分片的数据字段必须是8字节的倍数，最后一部分的数据大小等同于剩余数据的大小。

当源分组的第一个分片抵达目的主机是，该主机启动组装计时器以计算允许等待其他分片抵达的最晚时间，IP的不同实现应用不同规则来进行超时期限的选择。数据字段中空白间隙和最后分片的抵达（MF=0）意味着组装完成，数据组装完成之后，才有可能传往上层协议。

分片例子

一个在路由上进行分片的示例

假设发送端主机连接在MTU为17914字节的网络上，可以把它当成一个令牌环网络。原则上传输层知道下层技术的MTU并且以恰当的方式选择分片的大小。假设此例子中，6600字节的消息从传输层传递到IP层，IP在此消息的基础上形成IP分组的数据字段，并为之提供了头部。请格外留心与分组分片相关的头部字段是如何填充的。首先，分组被指派一个唯一的标识符，如：123456.其次，既然分组还没有被分片，那么偏移量（offset）字段设为0，MF标志也被设置为0，标识后续不存在分片。第三，DF标志被设为1，意味着该分组可以分片。IP分组的总长度为6600+20（IP头部大小）----也就是6620字节，该分组的总长度符合令牌帧的数据字段。然后发送端主机的IP实体将这个帧传送到他的网络接口，由接口负责将帧送往下一个路由。

在帧路过路由器网络接口的网络层同时令牌环头部被剥离后，路由器的IP实体将从分组中检索出目的网络地址。根据该地址，它判断出新抵达的IP分组必须被传送到MTU值为1492的以太网。该值远远小于抵达输出接口的分组大小。因此，IP分组必须拆分成段。路由器从分组中检索出数据字段并将它拆分成下列大小的部分：四个各个包含1400个字符分段以及一个包含1000字节的分片。注意：最后一个分组为1000+20=1020字节。这些值均低于1500字节，因此，这些分组符合以太网帧的数据字段要求。

最后，连接到以太网的目的主机接收到五个拥有共同标识符123456的IP分片，如果这些分片在一定的时间间隔内抵达，那么运行在目的主机上的IP就可以组装出源消息来。如果这些分组的抵达顺序与发送时不一致，则偏移量（offset）字段会指明他们组装时的正确顺序。

分片偏移量计算

一个有4000字节数据的数据报被划分为三个分片。在原始数据报中，数据字节从0到3999编号。

第一个分片携带的是字节0-1399，对于这个数据报，分片偏移是0/8=0.

第二个分片携带的是字节1400-2799，对于这个数据报，偏移值是1400/8=175.

最后一个分片携带的字节2800-3999，对于这个数据报，偏移值是2800/8=350

偏移值是以8字节为单位，这样做是因为分片偏移字段的长度只有13位，它不能表示超过8191个字节。

如果分片本身再进行一次分片时会发生什么，这种情况下，分片偏移值永远是相对于原始数据报的。在本图中第二个分片后来又被划分为两个分片，长度分别为800字节和600字节，但他们的偏移量所表示的位置都相对于原始数据的。很显然即使各个分片采取不同的路径并失序到达，最终的目的主机也能够收到的分片（假设分片没有丢失）重装成原始的数据报，使用策略如下：

a、第一个分片的分片偏移字段值为0

b、把第一个分片的长度除以8，这个就是第二个分片偏移值

c、把第一个和第二个分片的总长度除以8，这个结果就是第三个分片的偏移值。

d、继续以上过程，最后一个分片的“还有分片”位的值是0.

http://packetlife.net/blog/2008/aug/18/path-mtu-discovery/

https://en.wikipedia.org/wiki/Path_MTU_Discovery

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