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IP Fragmentation（IP 分片） ​

背景：当 IP 数据包的大小超过 MTU（Maximum Transmission Unit, 最大传输单元）时，IP 层需要对数据进行分片，否则数据包将被丢弃。分片发生在 出方向 的接口上。
参考：MTU 介绍

1. IP 分片实例（以太网环境） ​

分片过程 ​

  • 以太网的默认 MTU 为 1500 字节，IP 头部占 20 字节，因此 IP 层最大有效载荷（payload）为 1480 字节。
  • 若传输的数据超过 1480 字节，则 IP 协议需要进行分片。
  • IP 层的分片对 传输层协议（TCP/UDP）是透明的，即 TCP/UDP 本身不关心分片的过程。

示例 ​

假设使用 UDP 传输 2000 字节的数据，加上 8 字节的 UDP 头部，IP 层总共需要传输 2008 字节：

  • 第一个 IP 包：
    • UDP 头部 (8B) + 数据载荷 (1472B) = 1480B
  • 第二个 IP 包：
    • 无 UDP 头部，仅有剩余载荷 (528B)

分片示意图 ​

IP包分片

分片标志位（Flags 字段） ​

IP 头部的 Flags 字段用于控制分片：

  • More Fragments（MF）= 1：表示该分片 后面还有更多分片。
  • More Fragments（MF）= 0：表示该分片是 最后一个分片。
Flags: 0x00
0... .... = Reserved bit: Not set
.0.. .... = Don't fragment: Not set
..0. .... = More fragments: Not set   // 被分片的包除最后一个均为1。

2. 禁止 IP 分片（Don't Fragment，DF 标志位） ​

概述 ​

IP 头部的 DF（Don't Fragment）标志位 控制是否允许分片：

  • DF = 1：不允许分片，如果数据包超过 MTU，则直接丢弃。
  • DF = 0：允许分片，当数据包超过 MTU 时，会被拆分成多个 IP 片段。

2.1 使用 ping 命令测试 DF 标志位 ​

可以使用 ping 命令手动指定 DF 置位，以测试网络路径上的 MTU 限制。

Linux (Ubuntu, CentOS) ​

  • -M do：设置 DF 标志位，确保数据包不会被分片。
  • -s：指定 ICMP 报文的大小。
shell
# Ubunut
ping -M do www.baidu.com -s 1472
PING www.a.shifen.com (180.101.49.11) 1472(1500) bytes of data.
1480 bytes from 180.101.49.11: icmp_seq=1 ttl=52 time=4.84 ms
1480 bytes from 180.101.49.11: icmp_seq=2 ttl=52 time=4.82 ms

ping -M do www.baidu.com -s 1473
PING www.a.shifen.com (180.101.49.11) 1473(1501) bytes of data.
ping: local error: Message too long, mtu=1500
ping: local error: Message too long, mtu=1500

Macos ​

  • -D：设置 DF 标志位，防止分片。
shell
# MacOS
~> ping -D www.baidu.com -s 1472
PING www.a.shifen.com (182.61.200.7): 1472 data bytes
1480 bytes from 182.61.200.7: icmp_seq=0 ttl=54 time=5.904 ms
1480 bytes from 182.61.200.7: icmp_seq=1 ttl=54 time=5.651 ms

~> ping -D www.baidu.com -s 1473
PING www.a.shifen.com (182.61.200.7): 1473 data bytes
ping: sendto: Message too long
ping: sendto: Message too long

扩展 ​

  • 如何避免 UDP 过大，造成 ip 层分片？

    • QUIC（Quick UDP Internet Connection）