为何互联网最终选择让IP分片？

因特网协议(IP)为互联提供了两个基本功能:寻址和分片。解释为什么要在这个互连协议中引入数据包分片?

刚工作那会，因为工作原因需要学习Ethernet，进而开发航空系统专用“优先级调度以太网”。遇到两个问题，分别为：

• 为何IP报文（甲方）的最大尺寸为65535字节，而以太网作为IP报文的承运方（乙方），允许IP最大报文的包裹尺寸为1500字节，为何有这个限制？为何不能允许65535字节？那样传输效率会更高！

• 为何Ethernet在传输真正的IP报文之前，需要先传输8个字节的Preamble？把Preamble去掉传输效率会更高！

请教一位硬件专家，专家回答是：preamble是机器同步码，之所以限制IP报文=1500字节，是因为可以时钟保持/恢复，可以保证足够高的传输可靠性。报文再长，将无法保证收发时钟同步，从而造成高误码率。其它都听懂了，只是对时钟保持/恢复（Clock Recovery）怎么也理解不了。越是理解不了的内容，越是有好奇心。

首先，这个地球上没有两台设备的时钟频率是完全一样的。通俗地说，甲设备的1纳秒，和一设备的1纳秒并不一样长。即使同一个设备，在不同的时间段1纳秒也是不一样长的，受设备的温度、电压的影响。时钟频率就好比节拍，收发双方只有处于同一个节拍，或者极端近似相同的节拍，才能保证收的数据，就是发的数据，否则会造成误码丢包。

在建筑工地会看到工人在扔砖头，一个扔，另一个接。双方节拍完全一致，砖头就可以可靠地送达。否则砖头就会因为节拍不一致而脱手。以太网的网卡没有眼睛，无法凭借眼睛来实时调整接收网卡的节拍，与发送网卡的节拍一致。那以太网如何来实时调整节拍的呢？

机器学习

在机器学习阶段，接收网卡会尝试使用自己本地的时钟/频率，在线路上采样信号。最初的信号是Preamble码，由于Preamble码是101010交替的，也是已知的。接收方可以根据这些已知的数值，来判断1或者0这个波形是从哪里开始。如果本地晶振产生的载波比接收的波形落后，机器会认为自己的频率偏慢，于是微量增加自己的频率。如果本地晶振产生的载波比接收波形提前，机器会认为自己的频率偏快，于是微量减小自己的频率。经过多个机器学习周期的调整，接收双方的频率差（Frequency Shift）越来越小。小到不会影响高可靠性的收发数据。

在长达56 bit交替1/0机器学习之后，接收方发送8bit SFD（Start Frame Delimiter），SFD = “10101011“，接收方知道在这之后真正的Frame数据就要开始了。接收方至少做了以下两件事：

• 硬件收发机（Transceiver）置于接收（Receiver）状态
• 接收方的本地晶振时钟将锁定为机器学习期间最新的时钟频率，在数据接收阶段，不再学习时钟

Frame数据一个bit一个bit被快乐地搬运到接收方，但是不要忘记，随着时间的流逝，接收方与发送方的频率差又会慢慢趋于变大。当大到一定阈值时，将会产生误码。产生的误码如果无法恢复，将会被丢弃，从而造成高层的数据重传，从而影响传输效率。

为何数据传输期间，不再使用机器学习来同步收发时钟？

因为无法机器学习，因为要传输的数据是未知的，接收方我来问问你：下一个采样值，是0还是1？不知道。既然不知道，就无法机器学习。

最终Ethernet的承运字节数被限制为1500字节，在这个时间内收发双方的时钟可以保持高度一致。

有同学会问，那为何现在高端交换机最大承运字节数可以超过9200字节？这是为什么呢？

以太网芯片一直在发展，芯片的晶振时钟越来越精细，成本也在下降。使用更加精准的时钟，可以使得收发双方的时钟同步保持的更长久，传输速率已经从最初10Mbps发展到今天10Gbps，传输同样的字节数需要传输的时间大大减少了。时钟保持的时间可以高可靠性传输9200 字节的用户数据。

文章好像跑题，其实并没有，上文先回答为何要限制IP报文的尺寸。剩下的内容就很简单了。Ethernet作为承运方，简单易用，以至于连报文分片的能力也没有。顺便说句啊，无线802.11是有报文的分片/重组能力的。

Ethernet（乙方）作为数据链路层，既然没有分片的能力，自然就需要甲方有数据分片的能力，在TCP/IP的世界里，这个甲方有且只有一人，那就是IP。

IP作为TCP/IP的承运方，它对来自高层的用户数据进行分片是比较合理的。如果IP不分片，意味着IP上方N多个甲方都要有分片的能力。这里的甲方不仅仅是TCP、UDP，还有好多好多，比如GRE、ESP、AH、IP、OSPF等等。。。那样复杂度就上升了N倍。

其实TCP也是有分片能力的，只是UDP是一个懒人，它没有分片能力。有没有分片能力，只要看看协议的格式就可以看出。

当然，IP分片会造成整体的传输效率的低下，在真实的网络里，需要尽最大的可能避免IP分片。最最理想的分片，是应用层分片应用层智能化检测底层传输端到端的MTU，从而将自己委托TCP/IP承运的包裹不超出IP层的MTU。

如果应用层偷懒不愿意分片，那么就把这个负担扔给TCP，TCP分片的效率也是很高的，但是千万别让IP分片，这是网络工程师需要坚守的底线。