IP数据包的校验算法

IP数据包的校验和算法

2007年11月29日 星期四 16:29

在发送数据时，为了计算数IP据报的校验和。应该按如下步骤：
(1) 把IP数据报的校验和字段置为0。
(2) 把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和
(3) 把得到的结果存入校验和字段中。

在接收数据时，计算数据报的校验和相对简单，按如下步骤：
（1）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和，包括校验和字段。
（2）检查计算出的校验和的结果是否等于零。
（3）如果等于零，说明被整除，校验是和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。


Linux 2.6内核中的校验算法，使用汇编语言编写的，显然效率要高些
/usr/src/linux-2.6.23/include/asm-i386/checksum.h

static inline __sum16 ip_fast_csum(const void *iph, unsigned int ihl)
{
    unsigned int sum;

    __asm__ __volatile__(
        "movl (%1), %0 -;/n"
        "subl $4,   %2 -;/n"
        "jbe 2f        ;/n"
        "addl 4(%1), %0 ;/n"
        "adcl 8(%1), %0 ;/n"
        "adcl 12(%1),%0 ;/n"
"1:     adcl 16(%1), %0 ;/n"
        "lea 4(%1), %1 -;/n"
        "decl %2        ;/n"
        "jne 1b        -;/n"
        "adcl $0, %0    ;/n"
        "movl %0, %2    ;/n"
        "shrl $16, %0   ;/n"
        "addw %w2, %w0 -;/n"
        "adcl $0, %0    ;/n"
        "notl %0        ;/n"
"2:                     ;/n"
    : "=r" (sum), "=r" (iph), "=r" (ihl)
    : "1" (iph), "2" (ihl)
    : "memory");
    return (__force __sum16)sum;
}

(1) 将IP头部(包括可选项)以32位为单位进行进位加法运算
(2) 将sum的低16位和高16位相加
(3) 取反

1b -- 1 before

在这个函数中，第一个参数显然就是IP数据报的首地址，所有算法几乎一样。需要注意的是第二个参数，它是直接使用IP数据报头信息中的首部长度字段，不需要进行转换，因此，速度又快了(高手就是考虑的周到)


第二种算法就非常普通了，是用C语言编写的。许多实现网络协议栈的代码，这个算法是最常用的了，即使变化，也无非是先取反后取和之类的。考虑其原因，估计还是C语言的移植性更好吧。下面是该函数的实现：
unsigned short checksum(unsigned short *buf, int nword)
{
    unsigned long sum;

    for(sum = 0; nword > 0; nword--)
        sum += *buf++;

    sum = (sum>>16) + (sum&0xffff);
    sum += (sum>>16);

    return ~sum;
}



让我们假设一个IP头数据，来解cksum的惑

IP头数据:

01000101                             /*ver_hlen*/
00000000                             /*tos*/
00000000 00000010                    /*len*/
00000000 00000000                    /*id*/
00000000 00000000                    /*offset*/
00000100                             /*ttl*/
00010001                             /*type*/
00000000 00000000                    /*cksum(0)*/
01111111 00000000 00000000 00000001 -/*sip*/
01111111 00000000 00000000 00000001 -/*dip*/

运算过程(注意是大端格式加):
for(sum = 0; nword > 0; nword--)
    sum += *buf++;

-01000101 00000000
-00000000 00000010
---------------------
-01000101 00000010
-00000000 00000000
---------------------
-01000101 00000010
-00000000 00000000
---------------------
-01000101 00000010
-00000100 00010001
---------------------
-01001001 00010011
-00000000 00000000
---------------------
-01001001 00010011
-01111111 00000000
---------------------
-11001000 00010011
-00000000 00000001
---------------------
-11001000 00010100
-01111111 00000000
---------------------
101000111 00010100
-00000000 00000001
---------------------
101000111 00010101            sum

                
sum = (sum>>16) + (sum&0xffff);
00000000 00000001            (sum>>16)
01000111 00010101            (sum&0xffff)
---------------------
01000111 00010110

sum += (sum>>16);
01000111 00010110
00000000 00000000            (sum>>16)
---------------------
01000111 00010110            sum

~sum
10111000 11101001            cksum  
      
说白了就是循环加，然后在取反!



对方机器调用checksum()计算校验和，如果校验和为0表明IP包传输正确
-----------------------------------------------------------
01000101                             /*ver_hlen*/
00000000                             /*tos*/
00000000 00000010                    /*len*/
00000000 00000000                    /*id*/
00000000 00000000                    /*offset*/
00000100                             /*ttl*/
00010001                             /*type*/
10111000 11101001                    /*cksum(0)*/
01111111 00000000 00000000 00000001 /*sip*/
01111111 00000000 00000000 00000001 /*dip*/

-01000101 00000000
-00000000 00000010
---------------------
-01000101 00000010
-00000000 00000000
---------------------
-01000101 00000010
-00000000 00000000
---------------------
-01000101 00000010
-00000100 00010001
---------------------
-01001001 00010011
-10111000 11101001
---------------------
100000001 11111100
-01111111 00000000
---------------------
110000000 11111100
-00000000 00000001
---------------------
110000000 11111101
-01111111 00000000
---------------------
111111111 11111101
-00000000 00000001
---------------------
111111111 11111110            sum

sum = (sum>>16) + (sum&0xffff);
00000000 00000001            (sum>>16)
11111111 11111110            (sum&0xffff)
----------------------
11111111 11111111

sum += (sum>>16);
11111111 11111111
00000000 00000000            (sum>>16)
----------------------
11111111 11111111

~sum
00000000 00000000

UDP校验和

 

因为TCP和UDP结构中都只有端口号，而不包含IP，原以为修改IP报文中的源IP和目的IP后就能欺骗上层协议了，没想到死活也通不了。今天baidu了一把，终于发现是“伪报头”在作怪。有两种解决方法，一是重新计算校验和，这个当然没问题。如果不想计算的话，可以把校验和的两个字节置0，根据RFC的规定，这样上层UDP协议就不会计算校验和了，可以解决UDP不通的问题。

 

     UDP校验和覆盖的内容超出了UDP数据报本身的范围。为了计算校验和，UDP把伪首部（PSEUDO-HEADER）引入数据报中， 在伪首部中有一个值为零的填充八位组用于保证整个数据报的长度为16比特的整数倍。使用伪首部的的目的是检验UDP数据报已达到正确的目的地。
     在UDP校验和的计算过程中用到的伪首部长度为12字节，如下图所示。

源IP地址目的IP地址全 0协 议UDP长度
     伪首部的源IP地址字段和目的IP地址字段记录了发送UDP报文时使用的源IP地址和目的IP地址。 协议字段指明了所使用的协议类型代码（UDP是17），而UDP长度字段是UDP数据报的长度（伪首部的长度不计算在内）。
     UDP计算校验和的方法和计算IP数据报首部校验和的方法相似。 但不同的是：IP数据报的校验和只检验IP数据报的首部，但UDP的校验和是将首部和数据部分一起都检验。 在发送端，首先是将全零放入检验和字段。再将伪首部以及UDP用户数据报看成是由许多16bit的字串接起来。 若UDP用户数据报的数据部分不是偶数个字节，则要填入一个全零字节(但此字段不发送)。 然后按二进制反码计算出这些16bit字的和(两个数进行二进制反码求和的运算的规则是：从低位到高位逐列进行计算。 0和0相加是0，0和1相加是1，1和1相加是0但要产生一个进位1，加到下一列。若最高位相加后产生进位，则最后得到的结果要加1)。 将此和的二进制反码写入校验和字段后，发送此UDP用户数据报。 在接收端，将收到的UDP用户数据报连同伪首部(以及可能的填充全零字节)一起，按二进制反码求这些16bit字的和。 当无差错时其结果应全为1。否则就表明有差错出现， 接收端就应将此UDP用户数据报丢弃(也可以上交给应用层，但附上出现了差错的警告)。

转载自 若木的博客

 

tomxaoying:

注意到校验和计算的这种特性，当只改变ip包的ip地址而其他的都不改变时，可以基于原来的checksum计算新的checksum的一种简单的方法

假设原来的dst ip为 192.168.0.1，在某个处理模块中被改变成192.168.0.10，因此这里变大了9

令原来的checksum为check_s_1，原来在计算checksum时求和之后没取反的临时变量为check_s_2，则 check_s_2 = ~check_s_1, 令新的同样为 check_t_2 = ~check_t_1

则不考虑特殊情况(最后进位的情况)有，check_t_2 = check_s_2 + 10 - 1 = check_s_2 + 9

因此有关系 check_t_1 = check_s_1 - 9 (不考虑特殊溢出情况，如果考虑最后进位，溢出等情况，自己试一试)