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  • 《TCP/IP具体解释卷2:实现》笔记--IP的分片和重装

    IP首部内有三个字段实现分片和重装:标识字段(ip_id)、标志字段(ip_off的3个高位比特)和偏移字段(ip_off的13个低位

    比特)。标志字段由3个1bit标志组成。比特0是保留的必须为0,;比特1是“不分片”(DF)标志;比特2是“很多其它分片”(MF)标志。

    Net/3中,标志和偏移字段结合起来,由ip_off訪问,例如以下图所看到的:


    ip_off的其它13bit指出在原始数据报内分片的位置,以8字节为单位计算。因此,除最后一个分片外,其它的分片都希望是一个

    8字节倍数的数据,从而使后面的分片从8字节边界開始。下图显示了在原始数据报内的字节偏移关系,以及在分片的IP首部内

    分片的偏移。


    除最后一个分片外,设置了其余分片的MF比特。

    ip_id唯一地标识某个特定数据报的分片。源系统用同样的源地址(ip_src)、目的地址(ip_dst)和协议(ip_p)值,作为

    数据报在互联网上生命期的值,把每一个数据报的ip_id设置成一个唯一的值。

    1.分片

    在ip_output函数(IP:网际协议章节)中,假设分组正好适合选定出接口的MTU,就在一个链路级帧中发送它。否则,必须对

    分组分片,并在多个帧中将其发送,分组能够是一个完整的数据报或者它自己也是前边系统创建的分片。分片的代码主要

    分三部分:

    1.确定分片大小

    假设DF被设置,则ip_output丢弃该分组,并返回,假设该数据报是在本地生成的,则运输层协议把该错误传回该进程,假设

    分组是被转发的,则生成ICMP目的不可达差错报文。

    Net/3没有实现“路径MTU发现”算法。

    每一个新的分片中包括:一个IP首部,某些原始分组中的选项以及最多len长度的数据。当中len的计算是用接口的MTU减去分组

    首部的长度后,去掉低位的3比特后成为8字节倍数。

    2.构造分片表

    从第二个分片開始构造分片表,在表生成后,原来的分组被转换成第一个分片(降低一次mbuf的生成),对于每个分片,

    ip_output函数採取下面动作:

    分配一个新的分组缓存


    从原来的分组中把IP首部和IP选项拷贝到新的分组,并非全部的选项都会被复制,假设IPOPT_COPIED指示copied比特被

    置位,则会把选项拷贝到芯片中。


    设置MF比特和偏移字段(ip_off)


    为分片设置长度


    从原始分组中把数据拷贝到该分组中


    调整新创建的分片的mbuf分组首部,使其具有正确的全长,把新分片的接口指针清零,把ip_off转换成网络字节序,计算新

    分片的检验和。将该分片通过mbuf的m_nextpkt与前面的分片链接起来。

    3.构造第一个分片并发送分片

    将末尾多余的数据截断后,原来的分组就被转换成第一个分片,同一时候设置MF比特、把ip_len和ip_off转换成网络字节序,计算

    新的检验和。在这个分片中,保留全部的IP选项。在目的地址重装时,仅仅保留数据报的第一个分片的IP选项。某些选项,如

    源路由选项,必须被拷贝到每一个分片中,即使在重装时都被丢弃了。

    最后将每一个分片进行发送。在发送期间遇到全部错误都会使后面的分片被丢弃。


    2.重装

    ipintr重装分片,并把数据报整个地交给运输层处理。ipintr须要尝试把分片重装成一个完整的数据报。

    Net/3在一个全局双向链表ipq上记录不完整的数据报。能够在链表的不论什么地方插入和删除,并不限制一定要在末尾。ipintr

    函数对表进行线性搜索,为当前分片找到合适的数据报。记住分片是由4元组{ip_id、ip_src、ip_des和ip_p}唯一标识的。ipq

    的每一个入口是一个分片表,假设ipintr赵大牌一个匹配,则fp指向匹配的表。ipq的数据结构例如以下:


    很多工作是由ip_reass做的。假设ip_reass通过把当前分片与曾经收到的分片组合在一起,能重装成一个完整的数据报,它就返回

    指向该重装好的数据报的指针。假设没有重装好,则ip_reass保存该分片,ipintr去处理下一个分片。

    假设重装处理产生一个完整的数据包,ipintr就把这个完整的数据报上传给合适的运输层。


    3.ip_reass函数

    ipintr把一个要处理的分片和一个指针传给ip_reass,当中指针指向的是ipq中匹配的重装首部。ip_reass可能重装成功并返回

    一个完整的数据报,可能把该分片链接到数据报的重装链表上,等待其它分片到达后重装。每一个重装链表的表头是一个ipq结构。

    用来标识一个数据报分片的四个段,ip_id、ip_src、ip_dst和ip_p,被保存在每一个重装链表表头的ipq结构中。Net/3用next和prev

    构造数据报链表,用ipq_next和ipq_prev构造分片的链表。

    到达分组的IP首部被放到重装链表之前,首先被转换成一个ipasfrag结构。


    ip_reass在一个由ipf_next和ip_prev连接起来的双向循环链表上,收集某个数据报的分片。下图显示了分片首部链表ipq和

    分片ipasgrag之间的关系。


    上图没有显示重装结构的全部复杂性。重装全然依靠把指针指向底层mbuf上的三个不同的结构。下图显示了mbuf、ipq结构、

    ipasfrag结构和ip结构之间的关系。


    图中含有大量的信息:

    1.全部结构都放在一个mbuf的数据区内。

    2.ipq链表由next和prev连接起来的ipq结构组成。每一个ipq结构保存了唯一标识一个IP数据报的四个字段。

    3.当作为分片链表的头訪问时,每一个ipq结构被看成是一个ipasfrag结构。这些分片由ipf_next和ipf_prev链接起来,分别

    覆盖了ipq结构的ipq_next和ipq_prev成员。

    4.每一个ipasfrag结构都覆盖了到达分片的ip结构,与分片一起到达的数据在缓存中跟在该结构之后。

    下图从逻辑的观点说明重装结构,该图显示了三个数据报的重装,以及ipq链表和ipasfrag结构之间的关系,阴影部分为缺少

    的分片。



    以下分几个部分说明重装

    1.创建重装表

    假设没有符合条件的ipq,则用新的数据报的第一个分片创建一个重装表。它分配一个mbuf来存放新表的头(一个ipq结构),

    并把该结构插入到重装表的链表中。

    2.重装超时

    在Net/3中,使用生命期字段ipq_ttl来管理重超时,重装超过的初始值设置为60,每次内容调用ip_slowtimo时,ipq_ttl就减去1,

    而内核每500ms调用ip_slowtimo一次。假设系统在接受到数据报的任一分片30秒后,还没有组装好一个完整的IP数据报,那么

    系统就丢弃该IP重装链表。

    3.数据报标识符

    在目的主机上,分片包括的字节范围可能会互相覆盖,发生这样的情况的原因是,当一个运输层协议重传某个数据报时,採用

    与原来数据报不同的路由,并且分片的模式也可能不同,这就导致在目的主机上的项目覆盖。传输协议必须强制IP使用原来

    ID字段,确保目的主机识别该数据报是重传的。

    Net/3并不为运输层协议提供机制保证在重传的数据报中重用IP ID字段。在准备新数据时,ip_output通过添加全局整数ip_id

    来赋一个新值。虽然如此,Net/3系统也能让运输层用同样ID字段重传IP数据报的系统上接收重叠分片。

    下图说明分片可能会以不同的方式与已经到达的分片重叠。分片是依照它们到达目的主机的顺序编号的,重装的分片在图底部

    显示,分片的阴影部分是被丢弃的多余字节。


    4.重建数据报首部

    ip_reass把ip指向链表的第一个分片,将ipasfrag结构恢复成ip结构。并将整个分组从重装链表中移走,丢弃表头的ipq结构,

    调整缓存中的m_len和m_data,将前面被隐藏起来的第一个分片的首部和选项包括进来。

    5.计算分组长度

    计算缓存链中数据的字节数,并把值保存在m_pkthdr.len中。

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