4. IP分片与重组
IP协议工作在链路层之上，而每种链路层技术对单帧可承载的数据量都有上限，这个上限称为最大传输单元（MTU）。以太网默认MTU为1500字节，PPP链路常见为1492或1500字节，某些隧道接口（如GRE、IPsec）因额外封装开销会更小。当IP数据报长度超过出接口MTU时，路由器或主机必须将其切分为多个较小的分片分别发送，接收端再依据IP首部中的标识、标志和片偏移字段完成重组。理解分片机制，是排查“能ping通小包却传不了大包”“网页能打开但文件下载卡死”这类问题的关键。
一、MTU与分片的触发条件
MTU是链路层帧中数据字段的最大长度，不含帧头帧尾。IPv4数据报总长度字段为16位，理论上最大65535字节，但实际发送时受出接口MTU约束。判断是否分片的依据是：IP数据报总长度 > 出接口MTU。例如主机A通过以太网（MTU 1500）发送一个总长3000字节的UDP数据报，则必须分片。
IPv4首部中与分片直接相关的字段有三个：
- 标识（Identification，16位）：同一原始数据报的所有分片共享同一个标识值，接收端据此归组。
- 标志（Flags，3位）：DF（Don't Fragment）置1表示禁止分片，若超MTU则丢弃并回ICMP差错；MF（More Fragments）置1表示后面还有分片，最后一个分片MF=0。
- 片偏移（Fragment Offset，13位）：以8字节为单位，表示本分片数据在原始数据报数据区中的起始位置。
由于片偏移以8字节为单位，除最后一片外，每个分片的数据长度必须是8的整数倍。这是分片计算中最容易出错的地方。
二、分片计算示例
假设主机发送一个总长3000字节的IP数据报，其中IP首部20字节，数据部分2980字节，出接口MTU为1500字节。每个分片都带20字节IP首部，因此每片可承载数据最多为1500−20=1480字节，且需为8的倍数，1480÷8=185，正好整除，故每片数据1480字节。
原始数据报：总长3000，首部20，数据2980
分片1：数据1480，偏移0， MF=1，总长1500
分片2：数据1480，偏移185， MF=1，总长1500
分片3：数据 20，偏移370， MF=0，总长 40
校验：1480+1480+20 = 2980 ✓
偏移：0 / 185 / 370（单位8字节）若MTU为1500但数据长度不是8的倍数，例如数据部分为1479字节，则每片数据应取1472字节（1472÷8=184），剩余7字节放入最后一片。可见分片长度需向下取整到8的倍数。
三、分片重组过程
重组只发生在最终目的主机，中间路由器只负责分片转发，不进行重组。目的主机收到分片后，按“源IP + 目的IP + 协议号 + 标识”四元组归入同一重组队列，再依据片偏移排序，拼装出原始数据区。重组需要满足：
- 首片偏移为0，且MF=1；最后一片MF=0；
- 各片数据区首尾相接，无重叠、无空洞；
- 所有分片在超时时间内到达（IPv4常见默认30秒或60秒）。
若任一分片丢失，整个数据报无法重组，接收端丢弃所有已到分片，上层协议（如TCP）只能依靠超时重传恢复。这也是分片会显著降低传输效率的原因。
四、路径MTU发现（PMTUD）
由于分片降低效率且易因丢片导致重传，现代IP网络普遍采用路径MTU发现机制，让发送方主动探测从源到目的整条路径上的最小MTU，从而以合适大小发送数据报，避免分片。
IPv4中PMTUD的工作过程如下：发送方将IP首部DF位置1，先按本地MTU发送。若路径中某台路由器发现数据报超过下一跳MTU且DF=1，则丢弃该包，并向源地址回送ICMP差错报文“需要分片但DF置位”（Type 3, Code 4），其中携带该路由器的下一跳MTU值。发送方收到后，将发送尺寸调小到该MTU，重新发送。如此反复，直到数据报顺利到达目的端，此时使用的尺寸即为路径MTU。
IPv6中不再由路由器分片，PMTUD是强制机制，路由器回送ICMPv6“Packet Too Big”报文，携带MTU值。若ICMP被防火墙过滤，PMTUD会失效，形成“黑洞”，表现为小包正常、大包超时。
五、用ping和traceroute观察分片行为
Linux下ping支持设置数据报大小和DF位，是观察分片最直接的工具。以下命令发送一个总长2000字节的ICMP请求（-s指定ICMP数据部分大小，实际IP总长还要加8字节ICMP首部与20字节IP首部）：
# 发送1472字节ICMP数据，加28字节首部=1500，正好等于以太网MTU
ping -c 3 -s 1472 192.168.1.1
# 发送1473字节，超过MTU，若链路不允许分片则失败
ping -c 3 -s 1473 192.168.1.1
# 设置DF位，禁止分片，用于探测路径MTU
ping -c 3 -M do -s 1472 8.8.8.8
# 逐步增大尺寸，找到不分片可通过的最大值
ping -c 1 -M do -s 1400 8.8.8.8
ping -c 1 -M do -s 1450 8.8.8.8
ping -c 1 -M do -s 1472 8.8.8.8当使用-M do且尺寸超过路径MTU时，典型输出为：
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 1473(1501) bytes of data.
ping: local error: Message too long, mtu=1500若中间路由器回送ICMP，则可能显示Frag needed and DF set (mtu = 1400)，提示路径上存在更小MTU的链路。通过二分法调整-s值，可快速定位路径MTU。
traceroute则用于逐跳观察路径。Linux下使用-F设置DF位，-s指定探测包大小：
# 逐跳探测，禁止分片，观察哪一跳开始出现异常
traceroute -F -s 1472 8.8.8.8
# 若某跳返回 !F 或超时，说明该跳MTU较小或ICMP被过滤
traceroute -n -F -s 1472 8.8.8.8输出中若某跳显示!F，表示需要分片但DF置位；若持续* * *，可能是ICMP被过滤导致PMTUD黑洞。此时可结合ping -M do逐段测试，或临时关闭DF位验证。
ping -M do二分法定位路径MTU。
六、关键参数速查
| 字段/参数 | 长度 | 作用 | 典型值 |
|---|---|---|---|
| 标识 Identification | 16位 | 同一数据报分片归组 | 递增或随机 |
| DF | 1位 | 禁止分片 | PMTUD时置1 |
| MF | 1位 | 还有后续分片 | 末片为0 |
| 片偏移 | 13位 | 数据起始位置（8字节单位） | 0,185,370… |
| 以太网MTU | — | 链路层最大数据字段 | 1500字节 |
| 重组超时 | — | 等待所有分片的时间 | 30～60秒 |
掌握分片字段的含义与计算、理解PMTUD的交互过程、并能用ping和traceroute验证路径MTU，是网络排障中定位“大包不通”类问题的基本功。实际工作中，应优先通过调整应用报文大小或启用PMTUD来避免分片，而非依赖中间设备重组。