IP 分片與重組深度解析：MTU、標誌位、偏移量與 LwIP 實現

IP 分片與重組深度解析：MTU、標誌位、偏移量與 LwIP 實現

當 IP 數據報超過鏈路層 MTU (如乙太網 1500 Bytes) 時，必須在網路層進行分片傳輸，目的端重組。理解分片機制對網路除錯、效能調優、安全防護 (如 Teardrop 攻擊) 至關重要。

核心參數

• MTU：最大傳輸單元。乙太網 1500B (含 IP 頭 20B + TCP 20B → TCP MSS 1460B)。
• IP 頭部關鍵欄位 (共 3 位標誌 + 13 位偏移)：
  • Bit 0：保留 (必為 0)。
  • Bit 1 (DF, Don't Fragment)：1=禁止分片，用於 PMTU 發現。
  • Bit 2 (MF, More Fragments)：1=還有後續分片，0=最後一片。
  • Fragment Offset (13 bits)：以 8 Bytes 為單位 的偏移量，最大支援 8192 Bytes 原始封包。
  • Identification (16 bits)：同一原始封包所有分片共享，用於重組辨識。

分片與重組流程

1. 發送端：大封包 → 多個分片，各自獨立 IP 頭，MF/Offset 設定，ID 相同。
2. 傳輸中：分片可能亂序、重複、丟失、再分片。
3. 接收端：按 ID + 來源/目的 IP + 協議 分組，按 Offset 排序重組。
4. 超時：IP_REASS_MAXAGE (預設 15s) 未收齊 → 丟棄所有分片。

LwIP 實現關鍵配置

協議差異：TCP vs UDP

• TCP：MSS 協商 (通常 1460B)，發送端主動分段，**不產生 IP 分片**。
• UDP：無分段機制，大數據報直接交 IP 層分片。極易丟包導致重組失敗 (無重傳)，應用層需自行控制大小或啟用分片重組優化。

BSD 經典重組資料結構

struct ipq {          // 重組隊列頭
    struct ipq *next, *prev;
    u_char ip_p;       // 協議
    u_short ip_id;     // Identification
    struct ipasfrag *frags; // 分片鏈表
    struct ip src, dst;
    int ttl;           // 剩餘生存時間
};

struct ipasfrag {     // 單個分片
    struct ipasfrag *next, *prev;
    struct ip ip;      // 完整 IP 頭
    // 數據緊隨其後
};

安全考量

• Teardrop 攻擊：偽造 Offset 重疊/間隙，導致重組緩衝區溢出或死循環。
• 分片洪水：佔用重組緩衝區，拒絕服務。
• 防護：嚴格校驗 Offset 邊界、限制並發重組數、超時快速回收。