动图图解！既然IP层会分片，为什么TCP层也还要分段？

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什么是 TCP 分段和 IP 分片

我们知道网络就像一根管子，而管子吧，就会有粗细。

一个数据包想从管子的一端到另一端，得过这个管子。~~（废话）~~

但数据包的量有大有小，想过管子，数据包不能大于这根管子的粗细。

问题来了，数据包过大时怎么办？

答案比较简单。会把数据包切分小块。这样数据就可以由大变小，顺利传输。

回去看下网络分层协议，数据先过传输层，再到网络层。

这个行为在传输层和网络层都有可能发生。

在传输层（TCP协议）里，叫分段。

在网络层（IP层），叫分片。（注意以下提到的 IP 没有特殊说明的情况下，都是指IPV4）

那么不管是分片还是分段，肯定需要按照一定的长度切分。

在TCP里，这个长度是MSS。

在IP层里，这个长度是MTU。

那MSS 和 MTU 是什么关系呢？这个在之前的文章里简单提到过。这里单独拿出来。

MSS：Maximum Segment Size 。 TCP 提交给 IP 层最大分段大小，不包含 TCP Header 和 TCP Option，只包含 TCP Payload ，MSS 是 TCP 用来限制应用层最大的发送字节数。
假设 MTU= 1500 byte，那么 MSS = 1500- 20(IP Header) -20 (TCP Header) = 1460 byte，如果应用层有 2000 byte 发送，那么需要两个切片才可以完成发送，第一个 TCP 切片 = 1460，第二个 TCP 切片 = 540。

如何查看 MSS？

我们都知道 TCP 三次握手，而MSS会在三次握手的过程中传递给对方，用于通知对端本地最大可以接收的 TCP 报文数据大小（不包含 TCP 和 IP 报文首部）。

比如上图中，B 将自己的 MSS 发送给 A，建议 A 在发数据给 B 的时候，采用MSS=1420进行分段。而 B 在发数据给 A 的时候，同样会带上MSS=1372。两者在对比后，会采用小的那个值（1372）作为通信的MSS值，这个过程叫MSS协商。

另外，一般情况下 MSS + 20（TCP 头）+ 20（IP 头）= MTU，上面抓包的图里对应的 MTU 分别是 1372+40 和 1420+40。同一个路径上，MTU 不一定是对称的，也就是说 A 到 B 和 B 到 A，两条路径上的 MTU 可以是不同的，对应的 MSS 也一样。

三次握手中协商了 MSS 就不会改变了吗？

当然不是，每次执行 TCP 发送消息的函数时，会重新计算一次 MSS，再进行分段操作。

对端不传 MSS 会怎么样？

我们再看 TCP 的报头。

其实 MSS 是作为可选项引入的，只不过一般情况下 MSS 都会传，但是万一遇到了哪台机器的实现上比较调皮，不传 MSS这个可选项。那对端该怎么办？

如果没有接收到对端 TCP 的 MSS，本端 TCP 默认采用 MSS=536Byte。

那为什么会是536？

536（data） + 20（tcp头）+20（ip头）= 576Byte

前面提到了 IP 会切片，那会切片，也就会重组，而这个 576 正好是 IP 最小重组缓冲区的大小。

MTU 是什么

MTU: Maximum Transmit Unit，最大传输单元。其实这个是由数据链路层提供，为了告诉上层 IP 层，自己的传输能力是多大。IP 层就会根据它进行数据包切分。一般 MTU=1500 Byte。
假设 IP 层有 <= 1500 byte 需要发送，只需要一个 IP 包就可以完成发送任务；假设 IP 层有 > 1500 byte 数据需要发送，需要分片才能完成发送，分片后的 IP Header ID 相同，同时为了分片后能在接收端把切片组装起来，还需要在分片后的 IP 包里加上各种信息。比如这个分片在原来的 IP 包里的偏移 offset。

如何查看 MTU

在mac控制台输入 ifconfig命令，可以看到 MTU 的值为多大。

$ ipconfig
lo0: flags=8049<UP,LOOPBACK,RUNNING,MULTICAST> mtu 16384
	...
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
	...
p2p0: flags=8843<UP,BROADCAST,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 2304
	...

可以看到这上面有好几个MTU，可以简单理解为每个网卡的处理能力不同，所以对应的 MTU 也不同。当然这个值是可以修改的，但不在今天的讨论范畴内，不再展开。

在一台机器的应用层到这台机器的网卡，这条链路上，基本上可以保证，MSS < MTU。

为什么 MTU 一般是 1500

这其实是由传输效率决定的。首先，虽然我们平时用的网络感觉挺稳定的，但其实这是因为 TCP 在背地里做了各种重传等保证了传输的可靠，其实背地里线路是动不动就丢包的，而越大的包，发生丢包的概率就越大。

那是不是包越小就越好？也不是

但是如果选择一个比较小的长度，假设选择MTU为300Byte，TCP payload = 300 - IP Header - TCP Header = 300 - 20 - 20 = 260 byte。那有效传输效率= 260 / 300 = 86%

而如果以太网长度为 1500，那有效传输效率= 1460 / 1500 = 96% ，显然比 86% 高多了。

所以，包越小越不容易丢包，包越大，传输效率又越高，因此权衡之下，选了1500。

为什么 IP 层会分片，TCP 还要分段

由于本身 IP 层就会做分片这件事情。就算 TCP 不分段，到了 IP 层，数据包也会被分片，数据也能正常传输。

既然网络层就会分片了，那么 TCP 为什么还要分段？是不是有些多此一举？

假设有一份数据，较大，且在 TCP 层不分段，如果这份数据在发送的过程中出现丢包现象，TCP 会发生重传，那么重传的就是这一大份数据（虽然 IP 层会把数据切分为 MTU 长度的 N 多个小包，但是 TCP 重传的单位却是那一大份数据）。

如果 TCP 把这份数据，分段为 N 个小于等于 MSS 长度的数据包，到了 IP 层后加上 IP 头和 TCP 头，还是小于 MTU，那么 IP 层也不会再进行分包。此时在传输路上发生了丢包，那么 TCP 重传的时候也只是重传那一小部分的 MSS 段。效率会比 TCP 不分段时更高。

类似的，传输层除了 TCP 外，还有 UDP 协议，但 UDP 本身不会分段，所以当数据量较大时，只能交给 IP 层去分片，然后传到底层进行发送。

也就是说，正常情况下，在一台机器的传输层到网络层这条链路上，如果传输层对数据做了分段，那么 IP 层就不会再分片。如果传输层没分段，那么 IP 层就可能会进行分片。

说白了，数据在 TCP 分段，就是为了在 IP 层不需要分片，同时发生重传的时候只重传分段后的小份数据。

TCP 分段了，IP 层就一定不会分片了吗

上面提到了，在发送端，TCP 分段后，IP 层就不会再分片了。

但是整个传输链路中，可能还会有其他网络层设备，而这些设备的 MTU 可能小于发送端的 MTU。此时虽然数据包在发送端已经分段过了，但是在 IP 层就还会再分片一次。

如果链路上还有设备有更小的 MTU，那么还会再分片，最后所有的分片都会在接收端处进行组装。

因此，就算 TCP 分段过后，在链路上的其他节点的 IP 层也是有可能再分片的，而且哪怕数据被第一次 IP 分片过了，也是有可能被其他机器的 IP 层进行二次、三次、四次....分片的。

IP 层怎么做到不分片

上面提到的 IP 层在传输过程中因为各个节点间 MTU可能不同，导致数据是可能被多次分片的。而且每次分片都要加上各种信息便于在接收端进行分片重组。那么 IP 层是否可以做到不分片？

如果有办法知道整个链路上，最小的 MTU 是多少，并且以最小 MTU 长度发送数据，那么不管数据传到哪个节点，都不会发生分片。

整个链路上，最小的 MTU，就叫 PMTU（path MTU）。

有一个获得这个 PMTU 的方法，叫 Path MTU Discovery。

$cat /proc/sys/net/ipv4/ip_no_pmtu_disc
0

默认为0，意思是开启 PMTU 发现的功能。现在一般机器上都是开启的状态。

原理比较简单，首先我们先回去看下 IP 的数据报头。

这里有个标红的标志位DF（Don't Fragment），当它置为 1，意味着这个 IP 报文不分片。

当链路上某个路由器，收到了这个报文，当 IP 报文长度大于路由器的 MTU 时，路由器会看下这个 IP 报文的DF

如果为0（允许分片），就会分片并把分片后的数据传到下一个路由器
如果为1，就会把数据丢弃，同时返回一个 ICMP 包给发送端，并告诉它 ~~"达咩!"~~ 数据不可达，需要分片，同时带上当前机器的 MTU

理解了上面的原理后，我们再看下 PMTU 发现是怎么实现的。

应用通过 TCP 正常发送消息，传输层TCP 分段后，到网络层加上 IP 头，DF 置为 1，消息再到更底层执行发送
此时链路上有台路由器由于各种原因MTU 变小了
IP 消息到这台路由器了，路由器发现消息长度大于自己的 MTU，且消息自带 DF 不让分片。就把消息丢弃。同时返回一个ICMP错误给发送端，同时带上自己的MTU。

发送端收到这个 ICMP 消息，会更新自己的 MTU，同时记录到一个PMTU 表中。
因为 TCP 的可靠性，会尝试重传这个消息，同时以这个新 MTU 值计算出 MSS 进行分段，此时新的 IP 包就可以顺利被刚才的路由器转发。
如果路径上还有更小的 MTU 的路由器，那上面发生的事情还会再发生一次。

总结

数据在 TCP 分段，在 IP 层就不需要分片，同时发生重传的时候只重传分段后的小份数据
TCP 分段时使用 MSS，IP 分片时使用 MTU
MSS 是通过 MTU 计算得到，在三次握手和发送消息时都有可能产生变化。
IP 分片是不得已的行为，尽量不在 IP 层分片，尤其是链路上中间设备的 IP 分片。因此，在 IPv6 中已经禁止中间节点设备对 IP 报文进行分片，分片只能在链路的最开头和最末尾两端进行。
建立连接后，路径上节点的 MTU 值改变时，可以通过 PMTU 发现更新发送端 MTU 的值。这种情况下，PMTU 发现通过浪费 N 次发送机会来换取的 PMTU，TCP 因为有重传可以保证可靠性，在 UDP 就相当于消息直接丢了。

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最后

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