网络分片功能全介绍

   众所周知，网络数据包得传输是受到链路的MTU的限制的。传统的TCP/IP协议中，IP层会根据PMTU(Path MTU)对数据包进行分片，并投递到链路上，最终发到目的地。目的地收到分片后，再组合成一个完整的数据包。本文章介绍了linux中分片的所有技术。

1 IP分片

   IP头部的定义见表1。分片的技术就是利用了IP头部中的认证，标志，和段偏移量这3个字段来完成的。属于同一个包的所有分片，认证字段必须是相同的。段偏移量则记录了该分片在原始包中的位置。这些字段在重组的时候也是必要要用到的。至于如何分片的不再讨论范围。

                                  表1. IP头部定义

0	4	8	12	16	19	24	31
版本	首部长度	服务类型		长度
认证				标志	段偏移量
TTL		协议		校验和
源IP地址
目的IP地址
选项 ...

  

 图1给出了IP分片后的效果： 

                                  图1：IP分片后的效果图

2 网卡分片

    高速网卡设备(千兆网卡以上)不仅可以自动的计算数据包的校验和，而且可以根据不同的协议自动的对数据包进行分片。由于MTU的限制，原先只能通过IP协议对大的数据包进行分片，现在网卡设备硬件本身就可以分片，并自动计算出校验和。同时，在接收处理方面，也有一些智能的功能，比如可以硬件确认数据包的校验和是否正确，可以接收大的数据包。

     通过ethtool命令，可以看到网卡所支持的特性，例如：

david@david-Lenovo:~$ ethtool -k eth0
Offload parameters for eth0:
rx-checksumming: on
tx-checksumming: on
scatter-gather: on
tcp-segmentation-offload: on
udp-fragmentation-offload: off
generic-segmentation-offload: on
generic-receive-offload: on
large-receive-offload: off
rx-vlan-offload: on
tx-vlan-offload: on
ntuple-filters: off
receive-hashing: on

在发送处理方面，提供了tcp-segmentation-offload（TSO），udp-fragmentation-offload(UFO，generic-segmentation-offload(GSO)这3个特性。

   UFO是专门针对UDP协议的，使用了这个特性，用户层就可以发送大的数据包（最大长度是64K），而不需要由IP协议来分片。 UFO与TSO，GSO没有任何的联系，但是却需要tx-checksumming，scatter-gather这两个特性的支持。遗憾的是，现在还没有看到有网卡支持UFO。所以，默认情况下，改功能的状态是off。当前UFO被应用在虚拟设备(比如虚拟的bridge设备，bond设备)上。

   TSO是专门针对TCP协议，DCCP协议的，与UFO一样，使用了这个特性，用户层就可以发送大的数据包。TSO的启用不需要GSO的支持，但是却需要tx-checksumming，scatter-gather这两个特性的支持。

   GSO是针对所有协议而设计的。但是，与UFO，TSO不同的是，分片的动作不是硬件来完成的，而是以软件的方式来完成的。从用户层的角度看，用户仍然是可以发送大数据包。GSO与TSO，UFO没有任何的联系，同样需要tx-checksumming，scatter-gather这两个特性的支持。

当前的网卡更多的是针对TCP协议进行功能强化，当前的网卡只支持TSO，而不支持UFO。这3个特性中只有TSO是纯硬件的功能。

这个分片和IP分片相比有如下的优势：

1) 硬件分片，速度更快；

2) 每个分片后的包是一个单独的TCP包，即每个分片包都包含TCP头部。

       且IP头部不包含任何的与分片相关的值。避免了分片包的丢失，而导致所有的分片

       包被重传。

3) 对于接收端而言，则省去了重组分片的工作。减轻了接收端的工作负荷。 

3 Offload软分片

UFO现在更多的是在虚拟化技术中被广泛使用。虚拟技术中使用最多的是网桥设备。而网桥设备默认是开启UFO的。虚拟设备中不会依赖真实设备的offload特性，自己也是可以提供offload功能的，效果类似于网卡的分片。区别是这个是由内核以软件的方式来完成的，与IP协议的分片没有任何关系。为了方便描述，我们规定这种形式的分片叫做offload软分片。

   Offload分片在使用虚拟设备传输TCP数据时的处理流程如图2。 分片的时机见图2中的Soft Segment。

图2：TCP协议的offload分片的作用效果图

    图2中，用户层发送的数据大小是64K。虚拟设备桥设备中，启用了TSO，UFO等功能。而最底层的网卡设备eth1没有启用TSO。则在发送到网卡驱动程序之前，会对大包进行分片，即图中的[Soft Segment]。如果最底层的网卡设备eth1启用TSO，则不需要[Soft Segment]这个操作，而是由网卡本身对数据包进行分片。对于UFO而言，则肯定是要执行软分片的。这里需要注意一点，TSO,UFO的offload分片效果是不一样的。分片后的TCP报文是单独的报文，即数据包的IP头部不存在分片相关的信息。而UFO，则模拟了和IP分片，因此UDP包的IP头部仍然存在分片相关的信息。

    也许你会对GSO这个特性存在疑问，这个选项是做什么用的呢。其实，从某个版本的内核开始(也许是2.6.32内核)，对于TCP协议和DCCP协议而言，TSO和GSO这两者中只要任何一个特性上打开的，则都可以发送大数据包。GSO与UFO没有任何关系。