小菜学编程
IP 包全长由头部中的 total length 字段决定，该字段共 16 位，因此一个 IP 包最大可达 $2^{16}-1$ ，即 65535 字节。除去头部 20 字节，IP 包最多可承载 $65535-20$ ，即 65515 字节的数据：
当然了，IP 头部如果带有可选选项，长度就不止 20 字节了。这样，它能承载的数据量就要打些折扣，但不会低于 65535-60 ，即 65475 字节。其中，60 是 IP 头部的最大长度。
IP 包需要借助链路层的本地通信能力，搭载在链路层帧中进行传输。典型的以太网帧，最多可以承载 1500 字节的数据。一个长度多达 65535 字节的 IP 包，显然不可能搭载在运输能力只有区区 1500 字节的以太网帧中！那怎么办呢？
基本原理
我们只能将超大的 IP 包分成一个个不超过 1500 的小包，再一一发送出去。各个小包达到目的地后，在目的主机上进行重组，得到原包。这就是所谓的 分片 （ fragmentation ）。
那么，一个分片包到到目的主机后，如何判断它属于哪个 IP 包呢？如何判断它是第几个分片呢？
答案就藏在 IP 包的头部中。IP 包头部中有 3 个与分片相关的字段，分别是：
- 标识符（ identification ），IP 包的 ID ，全局自增，短时间内不会重复，可唯一标识一个 IP 包；
- 标志位（ flags ），包括两个用于控制和识别分片的标志位；
- DF 标志位禁止中间路由对该包进行分片；
- MF 标志位表明该包之后还有其他分片；
- 偏移量（ fragment offset ），表示一个分片相对于原始 IP 包开头的偏移量，以 8 字节为单位；
假设主机①出口 MTU 是 1500 ，它准备发一个长度为 4000 字节的 IP包给主机②。这个包必须分片：
如上图，原包长达 4000 字节，其中头部 20 字节，数据部分为 3980 字节。分片包最大长度为 1500 ，除去头部的 20 字节，数据部分只剩 1480 。这意味着，原包 3980 字节至少需要分为 3 片。
由于偏移量字段以 8 字节为单位，因此每个分片的数据长度必须为 8 的倍数，最后一片除外。由于 1480 刚好可以被 8 整除，因此分片数据长度可以选择 1480 。
偏移量字段长度只有 13 位，比全长字段的 16 位少了 3 位，因此必须以 8 字节为单位，不然表示范围不够。
第一个分片，包含原包前 1480 字节数据，因此偏移量 offset=0 ；而 MF=1 表示后面还有其他分片。第二个分片，包含原包紧接着的 1480 字节数据，偏移量 $offset={1480\over8}=185$ ；同样 MF=1 表示后面还有其他分片。最后一个分片，包含原包最后 1020 字节数据，偏移量 $offset={2960\over8}=370$ ；而 MF=0 表示它是最后一片了。
这些分片被发出去后，独立在网络中旅行，可能走不同的路由路径，到达时间和顺序也是无法预测的：
分片到达目标主机后，系统根据包头中的源地址、目的地址、标识符、偏移量等字段，将它们重组合成原包。
实际上，系统会分配一块内存作为重组分片的缓冲区。一个分片包首个分片达到后，系统将其移入到该缓冲区，等待其他分片达到：
后续分片达到后，系统先根据源地址、目的地址和标识符确定它属于哪个包；再根据偏移量确定它属于原包的哪个部分；最后将分片数据拼接到原包中。当所有分片都到达后，原包也就成功重组出来了！
如果中间路由链路 MTU 变小，经过的 IP 包大小超出限制，路由便再次对 IP 包进行分片。就算 IP 包已分过片，只要有分片大小超出限制，都要进一步划分：
如上图，路由专线的 MTU 很小。一个去往主机②的 IP 包，被主机①发出前已被分为两片。来到路由器 R1 时，由于第一个分片大小仍超过路由专线 MTU ，路由器 R1 进一步将其分为两片。
中间路由只会对 IP 包进行分片，不会对分片进行重组。如上图， IP 包来到 R2 后链路 MTU 变大，理论上可以对前两个分片进行组装，还原出原来的分片 1 。但出于效率考虑，中间路由不会这么做，分片只有到达目的地即主机②之后，才会开始重组。
如果 IP 包设置了 DF 标志，中间路由便不能将它分片，只能向发送者报告 ICMP 目的不可达 错误。其中，类型为 3 ，表示目的不可达；代码为 4 表示 需要分片，但设置了DF标志 （ fragmentation required, and DF flag set ）。
局限性
由于分片可能因丢包而永远无法到达，分片重组必须有超时机制。如果重组无法在一定时间内完成，系统将删除缓冲区中的碎片，放弃重组。因此，如果有分片因路由延迟到达不及时，重组也会失败。
系统用于分片重组的内存是有限的，当大量分片达到导致缓冲区不够用时，系统也会放弃重组。另外，一些别有用心的人，可能会发一些精心构造的分片进行攻击，耗尽系统的重组缓冲区。
基于上述种种原因，编写网络程序时，应该极力避免 IP 分片：
- 编写 UDP 应用，要严格控制数据报长度，不能超过链路最小 MTU ；
- 编写 TCP 应用，也要关注本地 MTU 设置，不然可能因中间路由分片导致通信失败；
因分片导致的网络问题，通常比较隐蔽：发少量数据正常；但稍微发多点数据就失败。后续学习 UDP 和 TCP 时，我们还将进一步讨论 IP 分片的问题，并介绍解决问题的最佳实践。
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