一、IP分片原理

1.1 基本原理

IP包长计算
IP 包全长由头部中的 total length 字段决定，该字段共 16 位，因此一个 IP 包最大可达 2^16-1 ，即 65535 字节。除去头部 20字节(无Options字段），IP 包最多可承载65535-20，即 65515 字节的数据。
MTU计算
MTU是最大传输单元（ Maximum Transmission Unit）的缩写，指一个接口无需分片所能发送的数据包的最大字节数。
MTU范围在46 ~ 1500字节，默认一般都是1500（7字节前导码＋1字节帧开始定界符＋6字节的目的MAC＋6字节的源MAC＋2字节的帧类型＋1500字节IP头及数据＋4字节的 FCS = 1526字节。抓包软件抓到的是去掉前导码、帧开始定界符、FCS之外的数据，其最大值是 6＋6＋2＋1500＝1514）
产生IP分片的原因
IP分片发生在IP层，不仅源端主机会进行分片，中间的路由器也有可能分片，因为不同的网络的MTU是不一样的，如果传输路径上的某个网络的MTU比源端网络的MTU要小，路由器就可能对IP数据报再次进行分片。而分片数据的重组只会发生在目的端的IP层。

1.2 与分片相关的IP头部字段

IP头部

标识符（ identification ），IP 包的 ID ，全局自增，短时间内不会重复，可唯一标识一个 IP 包；
标志位（ flags ），包括两个用于控制和识别分片的标志位；
- DF 标志位禁止中间路由对该包进行分片；
- MF 标志位表明该包之后还有其他分片；
偏移量（ fragment offset ），表示一个分片相对于原始 IP 包开头的偏移量，以8字节为单位；
分片大小计算
假设主机①出口 MTU 是 1500 ，它准备发一个长度为 4000 字节的 IP包给主机②。这个包必须分片

分片
如上图，原包长达 4000 字节，其中头部 20 字节，数据部分为 3980 字节。分片包最大长度为 1500 ，除去头部的 20 字节，数据部分只剩 1480 。这意味着，原包 3980 字节至少需要分为 3 片。
由于偏移量字段以 8 字节为单位，因此每个分片的数据长度必须为 8 的倍数，最后一片除外。由于 1480 刚好可以被 8 整除，因此分片数据长度可以选择 1480 。
片偏移计算
第一个分片，包含原包前 1480 字节数据，因此偏移量 offset=0（数据的首个字节离原始IP头部距离为0）；而 MF=1 表示后面还有其他分片。第二个分片，包含原包紧接着的 1480 字节数据，偏移量offset=（1480+1480）/8=185 ；同样 MF=1 表示后面还有其他分片。最后一个分片，包含原包最后 1020 字节数据，偏移量（1480*2）/8=370 ；而 MF=0 表示它是最后一片了。
分片重组
分片到达目标主机后，系统根据包头中的源地址、目的地址、标识符、偏移量等字段，将它们重组合成原包。
实际上，系统会分配一块内存作为重组分片的缓冲区。一个分片包首个分片达到后，系统将其移入到该缓冲区，等待其他分片达到：

分片重组
后续分片达到后，系统先根据源地址、目的地址和标识符确定它属于哪个包；再根据偏移量确定它属于原包的哪个部分；最后将分片数据拼接到原包中。

二、实现IP分片

2.1实验拓扑

实验拓扑如下，linux向R2发送IP分片，并在R2接口上抓包。

IP分片拓扑

2.2 Python手动制作分片

Python脚本

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-
from kamene.all import *

#严重注意ICMP的校验和是整ICMP头部和数据部分一起计算的！！！
#flags="MF"或flags=1表示后面有分片，flags=0表示为最后一个分片，flags="DF"或flag=2表示不分片
#frag一位表示8字节，因此frag数值乘以8，才是真正的偏移量字节数！第一个分片需加上ICMP首部8字节。
send(IP(flags="MF",frag=0,id=1,dst='172.16.10.2')/ICMP(chksum=0x7932)/b'Farst Hello Word!!!!!!!!')
send(IP(flags=1,frag=4,id=1,proto=1,dst='172.16.10.2')/(b'second Hello Word!!!!!!!'))
send(IP(flags=0,frag=7,id=1,proto=1,dst='172.16.10.2')/(b'third Hello Word!!'))

执行效果
执行效果如下：

分片

抓包结果如下,发送三个数据包，前两包MF位置1.

分片1
分片2
分片3

2.2.1 ICMP校验和计算

ICMP包校验和是连通头部信息加数据本身一起进行校验（ip包只需要校验头部信息）而Scapy自动添加ICMP校验和时只会计算第一分片的数据，当三个分片到达目标主机进行重组后校验不通过，将重组后的数据包丢弃；因此在手动设置IP分片时，需要手动将校验和添加入ICMP首部中。
由于手动计算校验和过程较复杂，可通过wireshark抓包，可以获取到正确的校验和。

ICMP校验和

2.3 Scapy自动分片

python脚本

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-
from kamene.all import *

##############################自动制造Fragment################################
frags = fragment(IP(dst='172.16.10.2')/ICMP()/(b"Hello Word"*300))
#产生每一个分片，可以对分片就行修改！！！！
send(frags)

#正常发包，系统会自动进行分片处理！！！！
#send(IP(dst='172.16.10.2')/ICMP()/(b"Hello Word"*300))

抓包结果如下，由于单个数据包长度超过MTU,系统自动将ICMP request包分片发送，同样的ICMP reply系统也进行了分片。

自动分片

三、网络路径MTU探测

3.1 基本原理

当主机发送分组的长度超过MTU又不可以分片（IP flags位DF置1），则这个分组丢弃，并用ICMP差错报文向主机报告。

3.2 具体实现

实验拓扑
实验拓扑如下，在路由器出接口设置不同的MTU值。

MTU路径
Python脚本

#!/usr/bin/python3.4
# -*- coding=utf-8 -*-

from kamene.all import *
import time
import re

def ping_df(dst,mtu):
    pyload = b'v'*(int(mtu) - 28) #28为20字节IP头部和8字节ICMP头部的长度

    ping_one_reply = sr1(IP(dst=dst,flags='DF')/ICMP()/pyload, timeout = 1, verbose=False)
    #发送DF位的数据包
    try:
        if ping_one_reply.getlayer(ICMP).type == 3 and ping_one_reply.getlayer(ICMP).code == 4:
            #如果返回ICMP不可达信息，就返回1和当前的mtu
            MTU=ping_one_reply.getlayer(ICMP).unused#获取经过设备出接口的MTU值
            print("中间设备出接口MTU值为：", MTU)
            return 1
        elif ping_one_reply.getlayer(ICMP).type == 0 and ping_one_reply.getlayer(ICMP).code == 0:
            #如果返回ICMP echo reply，就返回2和当前的mtu
            return 2, mtu
    except Exception as e:
        if re.match('.*NoneType.*',str(e)):
            return None #如果测试失败，就返回None
def discover_path_mtu(dst):
    mtu = 1500 #mtu从1500开始向下减
    while True:
        Result = ping_df(dst,mtu)
        if Result == None: #如果测试失败就打印信息，并且跳出循环
            print('目标: ' + dst + '不可达！')
            break
        elif Result[0] == 2: #如果PING测试成功，就打印信息，并且跳出循环
            print('目标: ' + dst + '的Path MTU为: ' + str(Result[1]))
            break
        elif Result[0] == 1: #如果得到不可达信息，就较少MTU，打印消息，并且继续循环  
            mtu = mtu - 50
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    dest=input("目标IP>>>")
    discover_path_mtu(dest)

执行效果
执行结果如下，返回经过的中间设备出接口的MTU值，如此则可得知路径中最小的MTU值。

MTU探测

抓包结果如下：
request包中Flags DF置1，不允许分片。

request
由于分组长度超过了该设备出接口的MTU值，故返回一个ICMP差错报文告知分组长度超过MTU，并将下一跳的MTU值返回。
ICMP 不允许分片