网络层中的碎片化现象

在计算机网络中，数据是以称为“数据包”或“数据报”的小单位来传输的。有时候，这些数据报的尺寸过大，无法通过那些有较小尺寸限制的网络进行传输。为了处理这种情况，通常会将数据报拆分成更小的部分，这一过程被称为“分片”。

• IPv4数据报的大小可以达到65,535字节。
• 网络具有最大传输单元的限制。
• 分片处理是将较大的数据报分割成较小的片段。
• 每个片段都有其自己的头部信息。
• 碎片化现象可能发生在源头或路由器处。
• 重新组装只会在目的地进行。

碎片化带来的需求

当源计算机生成了一个较大的数据报时，该数据报可能需要通过多个网络才能到达目的地。这些网络中，每个网络所支持的最大数据包大小可能各不相同。因此，就需要对数据报进行分片处理，以实现有效的传输。

注意：虽然发送大量数据帧在效率上更为理想（因为不需要重复发送相同的头部信息），但由于以下原因，这种做法并不总是可行的：

导致分裂的原因

• 不同的网络限制：每个网络都有其自己的MTU值。如果数据报的大小超过了MTU值，那么就需要将其拆分成多个较小的数据包来传输。
• 未知的路径MTU：来源并不总是能够知道沿途最小的可传输单元大小。
• 错误处理：如果某个部分丢失或损坏了，较小的碎片就可以减少重新传输的次数。
• 协议与硬件限制：一些设备和协议会限制最大数据包的大小。
• 传输效率：在网络中，较大的数据包需要更长的时间才能传输完毕，这会延迟其他数据的传输。

与碎片化相关的领域/内容

与IPv4数据报的分割与重组相关的字段包括：

识别/鉴定

• 这是一个16位的字段。IPv4头部.
• 它为从源点发送的每个数据报分配了一个唯一的编号。
• “识别字段”与源IP地址的结合，有助于唯一地识别出每一个数据报。
• 当发送一个数据报时，系统会将一个计数器的值复制到该字段中，然后为下一个数据报将计数器的值增加1。
• 如果数据报被拆分成多个片段，那么所有片段都将具有相同的识别号。
• 在目的地，这个数字有助于将各个碎片重新组合成原始的数据报。

旗帜

• 那个旗帜IPv4头部中的该字段长度为3位。
• 第一个字节被预留了，并未被使用。
• 第二点是……请勿分割/分离如果设置为1，则数据报不能被分割；如果因为数据报的大小而无法发送，那么该数据报将被丢弃，同时会发送一个ICMP错误消息。如果设置为0，则允许对数据报进行分割处理。
• 第三部分是……更多片段（MF）如果设置为1，那么还会有更多的片段出现。如果设置为0，那么这就是最后一个片段，或者该数据报没有被分割成多个片段。

片段偏移量

• 这是一个13位的字段。
• 它显示了该片段在原始数据报中的位置。
• 它指出了在重新组装完整的数据包时，应该将这一片段放置到哪个位置。
• 该偏移量以8字节为单位进行测量。

示例：假设有一个大型的数据包，它包含4000字节的数据。这些数据以0到3999的顺序进行编号。现在，如果这个数据包的体积太大，无法直接通过网络传输，那么就需要将其拆分成三个较小的片段来传输。

这种碎片化将会以以下方式发生：

第一部分/片段

• 可携带的字节数：0到1399之间。
• 片段偏移量：0/8 = 0
• 说明/解释这段数据从数据的开头开始。因此，它的偏移量为0。

第二部分

• 可承载的字节数：1400到2799之间
• 片段偏移量：1400/8 = 175
• 说明/解释这段代码的起始位置是字节1400。将其除以8后，得到的偏移量为175。

第三部分

• 可承载的字节数：2800到3999之间
• 片段偏移量：2800/8 = 350
• 说明/解释这是最后一部分，从2800字节开始计算。此时，偏移量变为350。

数据报的碎片化

当数据在网络中传输时，它会被打包成一个被称为“数据报”的单位。无论是什么网络，比如局域网……局域网或者，也可以采用广域网的方式。广域网此外，系统还存在对一次可处理的数据大小的限制。这个限制被称为“最大传输单元”。MTU).

碎片化过程：

• 只有数据部分会被分割成多个片段。
• 原始数据报的头部被复制到了每个数据片段中，以便于后续的重新组装。
• 碎片化现象可能发生在以下环节：源计算机 or 任何路由器沿着这条道路前进。

在每个路由器上：

• 路由器会移除该帧，以便能够访问数据报。解封/拆封).
• 它会检查下一个网络的MTU值；如果数据报的尺寸过大，那么就会将其分割成多个较小的数据包。
• 这些数据报或片段被封装到一个新的帧中，这个新的帧适合用于下一个网络阶段。

为什么会出现多次的碎片化现象：

• 该来源可能无法知道沿途每个网络的精确路径或MTU值。
• 在像互联网这样的无连接网络中，路由可能会发生变化。
• 如果路由器遇到一个具有较小MTU的网络，那么它可能会再次将数据报分割开来。

碎片的重新组装

这种传输方式只发生在目的地节点上，而不会在路由器处发生。因为数据包会沿着独立的路径进行传输（即采用数据报交换方式）。因此，所有数据包可能不会在同一个路由器处相遇，这就可能导致需要再次对数据包进行分片处理。此外，分片后的数据包也可能以错误的顺序到达。

算法：

1. 目标地址应能够识别该数据报是从MF处分片过来的，同时，还需要在“Fragment Offset”字段中记录该数据报的分片偏移量。
2. 目的地应能够识别所有属于同一数据报的片段，这些片段的信息存储在标识字段中。
3. 请找出第一个片段，其偏移量为0。
4. 通过头部长度以及片段的偏移量来识别后续的各个片段。
5. 重复操作，直到MF的值变为0为止。

效率：

效率 (e)= 有用性/总比例 = （无标题的数据）/（有标题的数据）
吞吐量=e * B，其中B表示瓶颈带宽。

例如：一个最大传输单元为200字节的IP路由器，收到了一个大小为520字节的IP数据包。该IP数据包的IP头部长度为20字节。请查看IP头部中相关字段的值。
说明：由于MTU为200字节，而头部的大小为20字节，因此，数据的最大长度应为180字节。不过，由于180字节无法被8整除，所以实际可表示的数据最大长度为176字节。

• 碎片数量 = (520/200) = 3个
• 头部长度 = 5（因为缩放因子为4，所以20除以4等于5）
• 效率为：e = （无标题的数据量）/（有标题的数据量）= 500/560 = 89.2%
  碎片的重新组装