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IP层收发报文简要剖析3--ip输入报文分片重组

一、IP层报文分片的基本概念

(1)IP层报文分片是网络传输过程中，为了适应不同网络链路的最大传输单元（MTU）而采取的一种技术。当发送方需要传输的数据包超过目标网络链路的最大传输单元时，发送方会将数据包分割成多个较小的数据包，这些较小的数据包称为分片。每个分片都包含原始数据包的一部分，以及一些额外的信息，如标识符、标志和偏移量等，以确保分片能够在到达目标主机后正确重组。

(2)在IP层，分片的大小通常由网络链路的最大传输单元（MTU）决定。例如，以太网链路的MTU通常为1500字节，因此分片的大小通常不超过1500字节。分片的大小会根据MTU的不同而有所变化。分片过程中，每个分片都会被赋予一个唯一的标识符，这个标识符与原始数据包的标识符相同。此外，每个分片还会包含一个标志字段，用于指示该分片是否是最后一个分片。

(3)当分片到达目标主机时，目标主机根据分片中的标识符和偏移量信息对分片进行重组。目标主机首先检查分片是否完整，如果某个分片缺失，目标主机将请求发送方重新发送该分片。在分片重组过程中，目标主机需要确保所有分片按照正确的顺序排列，才能恢复原始数据包。例如，如果一个原始数据包被分割成4个分片，目标主机会按照分片中的偏移量信息将这4个分片重新组合成原始数据包。这个过程对于确保数据传输的完整性和可靠性至关重要。

二、IP输入报文分片重组的过程

(1)IP输入报文分片重组的过程首先从接收到第一个分片开始。当网络设备如路由器接收到一个分片时，它会检查该分片中的IP头部信息，特别是标识符和标志字段。如果该分片是数据包的第一个分片，标志字段中的MF（MoreFragments）位会被设置为1。接着，设备会检查偏移量字段，以确定该分片在原始数据包中的位置。例如，如果偏移量字段指示该分片是原始数据包的第100字节，设备会将该分片存储在一个缓冲区中，并等待接收后续的分片。

(2)当目标主机接收到第一个分片后，它会持续监听网络，等待其他分片的到来。随着后续分片的到达，目标主机会根据标识符和偏移量字段将分片按顺序放入正确的位置。如果接收到的是最后一个分片，其MF位会被设置为0，目标主机知道所有的分片已经接收完毕。在接收过程中，如果目标主机检测到丢失的分片，它会根据IP头部中的校验和和序列号向源主机发送一个重传请求。例如，在一个TCP连接中，如果IP层检测到分片丢失，TCP层会通过超时重传机制请求重新发送丢失的分片。

(3)一旦所有分片都被正确接收，目标主机将开始重组过程。它首先将第一个分片的数据复制到最终数据包的起始位置，然后按顺序将后续分片的数据复制到相应的位置。在复制过程中，目标主机会根据偏移量字段计算每个分片应该覆盖的数据区域。例如，如果一个分片的偏移量为100，这意味着它应该覆盖最终数据包的第100到第149字节。当所有分片都按顺序复制到最终数据包中后，目标主机将删除所有临时存储的分片，完成整个分片重组过程。在实际应用中，如HTTP请求，一个完整的Web页面可能需要被分割成多个分片进行传输，分片重组完成后，浏览器才能完整地显示网页内容。

三、分片重组中的关键技术和挑战

(1)分片重组中的关键技术之一是确保分片的正确顺序。由于分片可能在网络中独立传输，它们到达目标主机的顺序可能不同于原始数据包的顺序。为了解决这个问题，IP头部中的标识符和偏移量字段被用来对分片进行排序。标识符用于识别原始数据包，而偏移量字段指示每个分片在原始数据包中的位置。例如，在一个包含1000字节的原始数据包中，如果它被分割成4个分片，每个分片的偏移量分别是0、250、500和750字节。目标主机将根据这些偏移量信息，确保分片被正确地重组。

(2)另一个关键挑战是处理分片丢失的情况。在网络传输过程中，由于各种原因（如链路故障、拥塞等），分片可能会丢失。为了应对这种情况，IP协议提供了重传机制。当目标主机检测到某个分片丢失时，它会向源主机发送一个重传请求。源主机接收到这个请求后，会重新发送丢失的分片。例如，在一个包含100个分片的传输中，如果第10个分片丢失，目标主机将发送一个重传请求，源主机随后会发送第10个分片的重传。这种机制对于保证数据传输的完整性至关重要。

(3)分片重组过程中还涉及到内存管理和性能优化问题。由于分片可能被缓存，目标主机需要足够的内存来存储这些分片。在处理大量数据传输时，如大型文件传输或视频流，内存管理变得尤为重要。此外，为了提高性能，目标主机可能需要采用多线程或异步处理技术来并行处理分片重组任务。例如，在一个高带宽网络环境中，目标主机可能需要同时处理多个分片，这要求系统具备高效的内存管理和处理能力。以一个在线视频流为例，如果分片重组速度不够快，用户可能会体验