Network Segmentation vs Fragmentation
本文将mark下计算机网络中的分段(Segmentation)与分片(Fragmentation)操作。本文主要内容转载自动图图解！既然IP层会分片，为什么TCP层也还要分段？。
Overview
分段特指发生在使用TCP协议的传输层中的数据切分行为
分片特指发生在使用IP协议的网络IP层中的数据切分行为
TCP协议在将用户数据传给IP层之前，会先将大段的数据根据MSS（Maximum Segment Size）分成多个小段，这个过程是Segmentation，分出来的数据是Segments。IP协议因为MTU（Maximum Transmission Unit）的限制，会将上层传过来的并且超过MTU的数据，分成多个分片，这个过程是Fragmentation，分出来的数据是Fragments。这两个过程都是大块的数据分成多个小块数据，区别就是一个在TCP（L4），一个在IP（L3）完成。
MSS与MTU的区别
TCP 提交给 IP 层最大分段大小，不包含 TCP Header 和 TCP Option，只包含 TCP Payload ，MSS 是 TCP 用来限制应用层最大的发送字节数。
假设 MTU= 1500 byte，那么 MSS = 1500- 20(IP Header) -20 (TCP Header) = 1460 byte，如果应用层有 2000 byte 发送，那么需要两个切片才可以完成发送，第一个 TCP 切片 = 1460，第二个 TCP 切片 = 540。
MTU是由数据链路层提供，为了告诉上层IP层，自己的传输能力是多大。IP层就会根据它进行数据包切分。一般 MTU=1500 Byte。
假设IP层有 <= 1500 byte 需要发送，只需要一个 IP 包就可以完成发送任务；假设 IP 层有 > 1500 byte 数据需要发送，需要分片才能完成发送，分片后的 IP Header ID 相同，同时为了分片后能在接收端把切片组装起来，还需要在分片后的IP包里加上各种信息。比如这个分片在原来的IP包里的偏移offset。
在一台机器的应用层到这台机器的网卡，这条链路上，基本上可以保证，MSS < MTU。
为什么MTU一般是1500
这其实是由传输效率决定的。虽然我们平时用的网络感觉挺稳定的，但其实这是因为TCP在背地里做了各种重传等保证了传输的可靠，其实背地里线路是动不动就丢包的，而越大的包，发生丢包的概率就越大。
那是不是包越小就越好？也不是
如果选择一个比较小的长度，假设选择MTU为300Byte，TCP payload = 300 - IP Header - TCP Header = 300 - 20 - 20 = 260 byte。那有效传输效率= 260 / 300 = 86%
而如果以太网MTU长度为1500，那有效传输效率= 1460 / 1500 = 96% ，显然比 86% 高多了。
所以，包越小越不容易丢包，包越大，传输效率又越高，因此权衡之下，选了1500。
为什么IP层会分片，TCP还要分段
由于本身IP层就会做分片这件事情。就算TCP不分段，到了IP层，数据包也会被分片，数据也能正常传输。
既然网络层就会分片了，那么TCP为什么还要分段？是不是有些多此一举？
假设有一份数据，较大，且在TCP层不分段，如果这份数据在发送的过程中出现丢包现象，TCP会发生重传，那么重传的就是这一大份数据（虽然IP层会把数据切分为MTU长度的N多个小包，但是TCP重传的单位却是那一大份数据）。
如果TCP把这份数据，分段为N个小于等于MSS长度的数据包，到了IP层后加上IP头和TCP头，还是小于MTU，那么IP层也不会再进行分片。此时在传输路上发生了丢包，那么TCP重传的时候也只是重传那一小部分的MSS段。效率会比TCP不分段时更高。
类似的，传输层除了TCP外，还有UDP协议，但UDP本身不会分段，所以当数据量较大时，只能交给IP层去分片，然后传到底层进行发送。
正常情况下，在一台机器的传输层到网络层这条链路上，如果传输层对数据做了分段，那么IP层就不会再分片。如果传输层没分段，那么IP层就可能会进行分片。
数据在TCP分段，就是为了在IP层不需要分片，同时发生重传的时候只重传分段后的小份数据。
TCP分段了，IP层就一定不会分片了吗
在发送端，TCP分段后，IP层就不会再分片了。
但是整个传输链路中，可能还会有其他网络层设备，而这些设备的MTU可能小于发送端的MTU。此时虽然数据包在发送端已经分段过了，但是在IP层还会再分片一次。
如果链路上还有设备有更小的MTU，那么还会再分片，最后所有的分片都会在接收端进行组装。
因此，就算TCP分段过后，在链路上的其他节点的IP层也是有可能再分片的，而且哪怕数据被第一次IP分片过了，也是有可能被其他机器的IP层进行二次、三次、四次….分片的。
总结
- (TCP)分段和(IP)分片各自发生在不同的协议层(分段-TCP传输层，分片-IP层)
- TCP分段的原因是TCP报文段大小受MSS限制，IP分片则是因为IP数据报大小受MTU限制
- 在发送方，数据在TCP分段，在IP层就不需要分片，同时发生重传的时候只重传分段后的小份数据
- 虽然分段和分片不会在发送方同时发生，但却可能在同一次通信过程中分别在发送主机(分段)和转发设备(分片)中发生
- IP分片是不得已的行为，尽量不在IP层分片，尤其是链路上中间设备的IP分片
- UDP不会分段，就由IP来分片
参考资料: