关于数据分片，我看不明白这个

Question

1. 假设主机A被连接到一台路由器R1上，R1又连接到另一台路由器R2上，R2又被连接到主机B。假定一条TCP消息包含900B的数据和20B的TCP首部，现在该消息被传递给主机A的IP代码，请它递交给主机B。请写出在3条链路上传输的每个分组中IP首部的总长度、标识、DF、MF和片偏移。假定链路A→R1可以支持的最大帧长度为1024B，其中包括14B的帧头；链路R1→R2可以支持的最大帧长度为512B，其中包括8B的帧头；链路R2→B可以支持的最大帧长度为512B，其中包括12B的帧头。

Answer 1

晚上好🌙🌙🌙
本答案参考通义千问

在数据分片问题中，我们需要根据每条链路的最大帧长度（包括帧头）来判断是否需要对TCP消息进行分片。由于IP首部是20B，加上TCP首部20B，总共有40B的头部信息，因此实际的数据部分为 900B。

我们分别分析每条链路的最大传输能力，并计算出每个分组的 IP首部的总长度、标识、DF、MF和片偏移。

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一、理解关键参数

• 原始数据：900B
• TCP首部：20B
• IP首部：20B
• 总数据量（含首部）：900 + 20 + 20 = 940B
• 链路A→R1：最大帧长度为1024B（含14B帧头），有效载荷为1024 - 14 = 1010B
• 链路R1→R2：最大帧长度为512B（含8B帧头），有效载荷为512 - 8 = 504B
• 链路R2→B：最大帧长度为512B（含12B帧头），有效载荷为512 - 12 = 500B

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二、分片逻辑

1. 链路A→R1（最大有效载荷：1010B）

• 总数据量：940B < 1010B → 无需分片
• IP首部总长度：940B（不含帧头）
• 标识：任意值（如1234）
• DF（Don't Fragment）：0（允许分片）
• MF（More Fragments）：0（无更多分片）
• 片偏移：0（第一个分组）

该链路不需要分片，直接发送一个完整的IP数据包。

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2. 链路R1→R2（最大有效载荷：504B）

• 总数据量：940B > 504B → 需要分片

• 每个分组最多可承载 504B - 20B（IP首部）= 484B 的数据（即净数据）

• 数据分片：

  • 第1个分组：484B数据
  • 第2个分组：484B数据
  • 剩余数据：940 - 484*2 = 940 - 968 = -28B（说明第二个分组应为剩余数据）

  实际上应该是：

  • 第1个分组：484B数据
  • 第2个分组：456B数据（940 - 484 = 456）

• IP首部总长度：

  • 第1个分组：484 + 20 = 504B
  • 第2个分组：456 + 20 = 476B

• 标识：与前一致（如1234）

• DF：0（允许分片）

• MF：

  • 第1个分组：1（有更多分片）
  • 第2个分组：0（最后一个分组）

• 片偏移：

  • 第1个分组：0
  • 第2个分组：484 / 8 = 60（单位为8字节）

在R1→R2链路上，将数据分为两个分组，分别携带484B和456B的数据。

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3. 链路R2→B（最大有效载荷：500B）

• 总数据量：940B > 500B → 需要分片

• 每个分组最多可承载 500B - 20B（IP首部）= 480B 的数据

• 数据分片：

  • 第1个分组：480B数据
  • 第2个分组：480B数据
  • 剩余数据：940 - 480*2 = 940 - 960 = -20B（说明第二个分组应为剩余数据）

  实际上应该是：

  • 第1个分组：480B数据
  • 第2个分组：460B数据（940 - 480 = 460）

• IP首部总长度：

  • 第1个分组：480 + 20 = 500B
  • 第2个分组：460 + 20 = 480B

• 标识：与前一致（如1234）

• DF：0（允许分片）

• MF：

  • 第1个分组：1（有更多分片）
  • 第2个分组：0（最后一个分组）

• 片偏移：

  • 第1个分组：0
  • 第2个分组：480 / 8 = 60

在R2→B链路上，同样将数据分为两个分组，分别携带480B和460B的数据。

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三、总结各链路分组信息

| 链路 | 分组数 | IP首部总长度（B） | 标识 | DF | MF | 片偏移 | |------|--------|-------------------|------|----|----|--------| | A→R1 | 1 | 940 | 1234 | 0 | 0 | 0 | | R1→R2 | 2 | 504, 476 | 1234 | 0 | 1, 0 | 0, 60 | | R2→B | 2 | 500, 480 | 1234 | 0 | 1, 0 | 0, 60 |

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四、注意事项

• 标识字段：用于标识同一数据报的不同分组，确保接收方能正确重组。
• 片偏移：表示该分组在原始数据中的位置（单位为8字节）。
• MF位：若为1，表示后面还有分组；若为0，表示这是最后一个分组。
• DF位：若为1，表示不能分片，否则可以分片。

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五、代码示例（Python模拟分片过程）

def calculate_fragments(data_length, mtu):
    # 计算每段可承载的数据大小（不包括IP首部）
    max_data_per_fragment = mtu - 20  # 20B IP header
    fragments = []
    offset = 0
    total_data = data_length
    
    while total_data > 0:
        if total_data >= max_data_per_fragment:
            fragment_data = max_data_per_fragment
            total_data -= max_data_per_fragment
            mf = 1
        else:
            fragment_data = total_data
            mf = 0
            total_data = 0
        
        ip_header_length = 20
        fragment_size = fragment_data + ip_header_length
        fragments.append({
            'size': fragment_size,
            'offset': offset,
            'mf': mf
        })
        offset += fragment_data // 8  # 片偏移单位为8字节
    return fragments

# 示例调用
data_length = 940  # 包括TCP和IP首部
mtu_r1r2 = 512 - 8  # R1→R2链路有效载荷
mtu_r2b = 512 - 12  # R2→B链路有效载荷

print("R1→R2分组：", calculate_fragments(data_length, mtu_r1r2))
print("R2→B分组：", calculate_fragments(data_length, mtu_r2b))

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六、最终答案总结

• A→R1链路：无需分片，发送一个完整IP数据包（940B）。
• R1→R2链路：分片为两个分组，分别为504B和476B。
• R2→B链路：分片为两个分组，分别为500B和480B。

注意：片偏移始终以8字节为单位，且所有分组的标识字段相同。