TCP避免分片

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    我们知道，当应用层程序之间进行网络数据传输时，在发送端，数据会从应用层沿着协议栈向下传输，通过TCP/IP层，然后经由链路层发送出去，而在接收端，则是相反的顺序，数据经由链路层接收，然后沿着协议栈向上传输，通过IP/TCP层，最后由应用层程序进行读取。

 

 

而在IP层往链路层传输数据的时候，往往会做一个分片的操作，对于大多数链路层来讲，它都有一个最大传输单元（MTU），表示能够发送数据量的大小，它是由硬件决定的。比如以太网的MTU为1500字节。当IP层传输给链路层的数据量大于其MTU时，那么IP层就会将数据拆分为小于其链路层MTU的数据片，再传输给链路层进行发送。

 

但是对于不同的传输层协议（TCP/UDP）来说，在IP层上，需不需要进行分片是不同的。

 

TCP层的分片

 

对于TCP来说，它是尽量避免分片的，为什么？因为如果在IP层进行分片了话，如果其中的某片的数据丢失了，对于保证可靠性的TCP协议来说，会增大重传数据包的机率，而且只能重传整个TCP分组（进行IP分片前的数据包），因为TCP层是不知道IP层进行分片的细节的，也不关心。

 

当TCP层进行TCP分组的重传后，还会直接影响到应用层程序的性能，特别是在应用程序使用阻塞IO进行读写的时候。要理解这点，首先我们要知道当应用层程序往TCPIP协议栈写数据的时候都做了些什么事。

 

在应用层程序中，我们可以有自己的发送缓冲区，而TCP层本身也有自己的一个发送缓冲区，在JAVA中，可以通过设置Socket的SO_SNDBUF选项来设置，默认情况下一般是8k大小。 当我们在应用层往TCP层写数据（比如outputstream.write()）的时候，实际上是将应用层发送缓冲区的数据拷贝到TCP层的发送缓冲区中。当TCP层的发送缓冲区满或者网络空闲时，TCP层就会将其缓冲区中的数据通过IP层传到链路层的发送队列中。如果TCP层的发送缓冲区满而且应用层的数据没有写完时，内核会将write系统调用挂起，并不返回给应用层程序，直到应用层的数据全部拷贝到TCP层的缓冲区中。而由于TCP层要保证数据包的可靠性，即数据包丢失时要进行重传，那么TCP层在往网络发送TCP分组后，需要在其发送缓冲区中暂时保存发出的TCP分组数据用于后续可能的重传。

 

 

在这样的前提下，如果IP对来自TCP层的数据进行了分片， 那么就有可能使得应用层程序一直在write系统调用处挂起等待，引起性能的下降。

 

 

TCP层如何避免IP层的分片

首先，我们先回顾下TCP建立连接的3次握手：

 

在这3次握手中，除了确认SYN分节外，通信的两端还进行协商了一个值，MSS，这个值用来告诉对方，能够发送的TCP分节的大小。这个值一般是取其链路层的MTU大小减去TCP头部大小和IP头部的大小。MSS=MTU-TCP头部大小-IP头部大小. MTU的值可以通过询问链路层得知。

 

当两端确认好MSS后进行通信，当TCP层往IP层传输数据时，如果TCP层缓冲区的大小大于MSS，那么TCP层都会将其发送缓冲区中的数据切分成MSS大小的分组进行传输，由于MSS是通过MTU减去TCP头部大小和IP头部的大小计算得出的，MSS肯定比MTU小，那么到IP层的时候就可以避免IP层的分片。

 

 

 

UDP层的分片

如果我们采用的是UDP协议而不是TCP协议呢？在IP层会不会进行分片？由于UDP是不需要保证可靠性的，那么它就不会保存发送的数据包，TCP之所以保存发送的数据包是因为要进行重传。所以UDP本身是没有像TCP一样的发送缓冲区的。这就导致了对UDP进行write系统调用的时候，实际上应用层的数据是直接传输到IP层，由于IP层本身也不会有缓冲区，数据就会直接写到链路层的输出队列中。

 

在这种情况下，IP层会不会对来自UDP的数据进行分片呢？这个取决于UDP数据报的大小。如果UDP数据报的大小大于链路层的MTU，那么IP层就会直接进行分片，然后在发送到链路层的输出队列中，反之，则不会进行分片，直接加上IP头部发送到链路层的输出队列中。