IP 分片重组与 TCP 会话重组
1. IP 分片重组（IP Fragmentation & Reassembly）
（1）分片原因
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当 IP 数据包长度超过 MTU（Maximum Transmission Unit）（如以太网默认 1500 字节）时，路由器或发送端会将其分片。
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分片字段：
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Identification（16 比特）：同一数据包的所有分片共享相同 ID。
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Fragment Offset（13 比特）：当前分片在原始数据包中的偏移量（以 8 字节为单位）。
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Flags（3 比特）：
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MF（More Fragments）=1：表示后续还有分片。 -
DF（Don’t Fragment）=1：禁止分片（如 ICMP 探测包）。
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（2）重组原理
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接收端 根据以下字段重组分片：
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Identification：匹配同一数据包的所有分片。
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Fragment Offset：按偏移量排序分片。
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MF 标志：若
MF=0，表示最后一个分片。
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重组策略：
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重叠分片处理：
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若分片范围重叠（如恶意攻击或网络异常），协议栈通常选择 后到达的分片覆盖先到达的（Linux 默认策略）。
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也可选择 丢弃重叠分片（取决于实现）。
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超时机制：
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若部分分片丢失，重组队列会等待一段时间（如 Linux 默认 30 秒），超时后丢弃所有分片。
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（3）协议栈处理阶段
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在网络层（IP 层）完成重组，之后将完整数据包交给传输层（如 TCP/UDP）。
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关键函数（Linux 内核）：
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ip_defrag()：处理分片重组。 -
ip_frag_queue()：管理分片队列。
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2. TCP 会话重组（TCP Stream Reassembly）
（1）重组原因
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TCP 是面向流的协议，但网络传输可能乱序、丢失或重复。
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接收端需对数据段（Segment）按序列号（Sequence Number）排序，确保应用层收到有序数据。
（2）重组原理
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基于序列号（Sequence Number）：
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每个 TCP 段的序列号标识其第一个字节的全局位置。
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接收方通过 滑动窗口机制 确认连续数据（
ACK）并缓存乱序数据。
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重组策略：
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乱序数据缓存：
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若收到非连续数据（如
Seq=100先于Seq=50到达），内核会缓存乱序段，等待缺失数据。
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重叠数据处理：
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若数据范围重叠（如重传或恶意攻击），TCP 会选择 覆盖旧数据 或 丢弃新数据（取决于实现）。
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Linux 默认策略：保留先到达的数据（避免重传污染）。
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SACK（Selective ACK）：
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通过 TCP 选项
SACK精确告知发送方已收到的乱序数据块，减少不必要的重传。
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（3）协议栈处理阶段
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在传输层（TCP 层）完成重组，排序后的数据存入接收缓冲区，供应用层读取。
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关键机制：
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滑动窗口：动态调整接收窗口，控制发送速率。
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重传队列：管理疑似丢失的数据段。
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关键函数（Linux 内核）：
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tcp_rcv_established()：处理已建立连接的数据。 -
tcp_data_queue()：管理数据排序和提交。
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3. IP 分片 vs. TCP 重组对比
| 特性 | IP 分片重组 | TCP 会话重组 |
|---|---|---|
| 触发条件 | 数据包超过 MTU | 数据乱序、丢失、重复 |
| 依赖字段 | Identification、Fragment Offset、MF | Sequence Number、ACK、SACK |
| 处理重叠策略 | 后到覆盖先到（默认） | 先到优先（默认）或丢弃新数据 |
| 协议栈阶段 | 网络层（IP 层） | 传输层（TCP 层） |
| 超时机制 | 30 秒（Linux） | 由 RTO（重传超时）动态计算 |
| 典型应用场景 | UDP、ICMP 大包 | TCP 流式传输（如 HTTP、FTP） |
4. 协议栈中的重组阶段
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网卡收包
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DMA 将数据包拷贝到内核 Ring Buffer。
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IP 层处理
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检查分片（
ip_defrag()），重组后交给传输层。
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TCP 层处理
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排序乱序数据（
tcp_data_queue()），提交到接收缓冲区。
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应用层读取
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通过
recv()从 TCP 缓冲区拷贝数据到用户空间。
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5. 关键问题与优化
（1）IP 分片的问题
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性能开销：重组消耗 CPU/内存。
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安全风险：分片可被用于攻击（如泪滴攻击）。
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优化：
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避免分片：PMTUD（路径 MTU 发现）或设置
DF=1。
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（2）TCP 重组的挑战
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乱序容忍：需合理设置窗口大小和缓冲区。
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优化：
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启用
SACK减少重传。 -
调整
tcp_rmem扩大接收缓冲区。
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总结
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IP 分片重组 在网络层完成，依赖分片字段和超时机制，处理策略通常覆盖后到分片。
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TCP 会话重组 在传输层完成，依赖序列号和滑动窗口，默认优先保留先到数据。
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重叠处理策略 影响安全性和可靠性，需根据场景权衡（如防御攻击 vs. 保证数据正确性）。
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协议栈分层 确保各司其职：IP 层负责分片，TCP 层负责流式重组。