校验和计算

浅浅的花香味﹌ 2022-04-17 04:20 382阅读 0赞

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**校验和计算**

参考RFC文献

1. 前言

校验和计算是NAT功能和内容修改功能的基本功，这些操作进行后都需要修改数据头中的校验和。

2. 16位校验和计算

2.1 基本原理

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的，采用的都是将数据流视为16位整数流进行重复叠加计算。为了计算检验和，首先把检验和字段置为0。然后，对有效数据范围内中每个16位进行二进制反码求和，结果存在检验和字段中，如果数据长度为奇数则补一字节0。当收到数据后，同样对有效数据范围中每个16位数进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全0或全1(具体看实现了,本质一样) 。如果结果不是全0或全1，那么表示数据错误。

2.2 程序算法

2.2.1 C实现

这是RFC1071中提供的C语言程序：

unsigned short csum(unsigned char \*addr, int count)  
\{  
/\* Compute Internet Checksum for "count" bytes  
\* beginning at location "addr".  
\*/  
register long sum = 0;  
  
while( count > 1 ) \{  
/\* This is the inner loop \*/  
sum += \* (unsigned short) addr++;  
count -= 2;  
\}  
  
/\* Add left-over byte, if any \*/  
if( count > 0 )  
sum += \* (unsigned char \*) addr;  
  
/\* Fold 32-bit sum to 16 bits \*/  
while (sum>>16)  
sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);  
  
return ~sum;  
\}

当然，如果用汇编语言实现计算速度会快得多，对于不同的CPU体系，需要各自对应编写不同的汇编，在Linux内核源代码中有各种CPU体系的IP校验和计算源代码。

2.2.2 增量式修改

如果只修改了一个字节，如只修改IP头中的TTL，重新计算校验和时是没必要将所有数据范围内数据重新计算一遍的，RFC1141中提出了增量式算法：

~C' = ~(C + (-m) + m') = ~C + (m - m') = ~C + m + ~m'  
C'为修改后的校验和，C为修改前的校验和，m为修改前的数值，m'为修改后的数值，~为补码值。

C代码实现为：

UpdateTTL(iph,n)  
struct ip\_hdr \*ipptr;  
unsigned char n;  
\{  
unsigned long sum;  
unsigned short old;  
  
old = ntohs(\*(unsigned short \*)&ipptr->ttl);  
ipptr->ttl -= n;  
sum = old + (~ntohs(\*(unsigned short \*)&ipptr->ttl) & 0xffff);  
sum += ntohs(ipptr->Checksum);  
sum = (sum & 0xffff) + (sum>>16);  
ipptr->Checksum = htons(sum + (sum>>16));  
\}

2.3 网络应用

2.3.1 IPv4

IPv4层中的校验和只包括IPv4头部分，不包括上层协议头和应用层数据，校验和是必须计算的。

2.3.2 IPv6

IPv6头本身已经不包括校验和字段，只靠上层协议的校验和。

2.3.3 ICMP/IGMP

ICMP/IGMP校验和计算范围为从ICMP/IGMP开始到数据结束，不包括IP头部分，校验和是必须计算的。

2.3.4 TCP/UDP

TCP/UDP的校验和计算有点特殊，所计算的数据范围除了包括TCP/UDP头开始到数据结束外，还要包括一个IP伪头部分，所谓伪头，只有12字节数据，包括源地址(4字节)、目的地址(4字节)、协议(2字节，第一字节补0)和TCP/UDP包长(2字节)。TCP的校验和是必须的，而UDP的校验和是可选的，如果UDP中校验和字段为0，表示不进行校验和计算，因此对于UDP协议数据的修改后想偷懒的话直接将校验和设为0 就可以了。

3. 32位校验和

3.1 以太帧

以太帧校验和使用的是CRC校验，校验和为4字节32位，算法比较适合硬件实现，其计算和校验都是底层完成的，在IP栈以上时就不用考虑，即使上层直接是构造以太帧发送，也只需构造以太头部即可，发送时由底层自动添加后面的校验和。

3.2 SCTP

在SCTP(协议号：132)协议中，校验和计算比较特殊，采用了和以太包校验和相似的CRC32算法(RFC3309)，计算结果是32位而不再是16位。计算范围为从SCTP头到数据结束，不包括IP伪头。

以下是从Linux内核源码SCTP实现中摘取的CRC32算法源码：

/\* Example of the crc table file \*/  
\#ifndef \_\_crc32cr\_table\_h\_\_  
\#define \_\_crc32cr\_table\_h\_\_

\#define CRC32C\_POLY 0x1EDC6F41  
\#define CRC32C(c,d) (c=(c>>8)^crc\_c\[(c^(d))&0xFF\])

static unsigned long crc\_c\[256\] =  
\{  
0x00000000L, 0xF26B8303L, 0xE13B70F7L, 0x1350F3F4L,  
0xC79A971FL, 0x35F1141CL, 0x26A1E7E8L, 0xD4CA64EBL,  
0x8AD958CFL, 0x78B2DBCCL, 0x6BE22838L, 0x9989AB3BL,  
0x4D43CFD0L, 0xBF284CD3L, 0xAC78BF27L, 0x5E133C24L,  
0x105EC76FL, 0xE235446CL, 0xF165B798L, 0x030E349BL,  
0xD7C45070L, 0x25AFD373L, 0x36FF2087L, 0xC494A384L,  
0x9A879FA0L, 0x68EC1CA3L, 0x7BBCEF57L, 0x89D76C54L,  
0x5D1D08BFL, 0xAF768BBCL, 0xBC267848L, 0x4E4DFB4BL,  
0x20BD8EDEL, 0xD2D60DDDL, 0xC186FE29L, 0x33ED7D2AL,  
0xE72719C1L, 0x154C9AC2L, 0x061C6936L, 0xF477EA35L,  
0xAA64D611L, 0x580F5512L, 0x4B5FA6E6L, 0xB93425E5L,  
0x6DFE410EL, 0x9F95C20DL, 0x8CC531F9L, 0x7EAEB2FAL,  
0x30E349B1L, 0xC288CAB2L, 0xD1D83946L, 0x23B3BA45L,  
0xF779DEAEL, 0x05125DADL, 0x1642AE59L, 0xE4292D5AL,  
0xBA3A117EL, 0x4851927DL, 0x5B016189L, 0xA96AE28AL,  
0x7DA08661L, 0x8FCB0562L, 0x9C9BF696L, 0x6EF07595L,  
0x417B1DBCL, 0xB3109EBFL, 0xA0406D4BL, 0x522BEE48L,  
0x86E18AA3L, 0x748A09A0L, 0x67DAFA54L, 0x95B17957L,  
0xCBA24573L, 0x39C9C670L, 0x2A993584L, 0xD8F2B687L,  
0x0C38D26CL, 0xFE53516FL, 0xED03A29BL, 0x1F682198L,  
0x5125DAD3L, 0xA34E59D0L, 0xB01EAA24L, 0x42752927L,  
0x96BF4DCCL, 0x64D4CECFL, 0x77843D3BL, 0x85EFBE38L,  
0xDBFC821CL, 0x2997011FL, 0x3AC7F2EBL, 0xC8AC71E8L,  
0x1C661503L, 0xEE0D9600L, 0xFD5D65F4L, 0x0F36E6F7L,  
0x61C69362L, 0x93AD1061L, 0x80FDE395L, 0x72966096L,  
0xA65C047DL, 0x5437877EL, 0x4767748AL, 0xB50CF789L,  
0xEB1FCBADL, 0x197448AEL, 0x0A24BB5AL, 0xF84F3859L,  
0x2C855CB2L, 0xDEEEDFB1L, 0xCDBE2C45L, 0x3FD5AF46L,  
0x7198540DL, 0x83F3D70EL, 0x90A324FAL, 0x62C8A7F9L,  
0xB602C312L, 0x44694011L, 0x5739B3E5L, 0xA55230E6L,  
0xFB410CC2L, 0x092A8FC1L, 0x1A7A7C35L, 0xE811FF36L,

0x3CDB9BDDL, 0xCEB018DEL, 0xDDE0EB2AL, 0x2F8B6829L,  
0x82F63B78L, 0x709DB87BL, 0x63CD4B8FL, 0x91A6C88CL,  
0x456CAC67L, 0xB7072F64L, 0xA457DC90L, 0x563C5F93L,  
0x082F63B7L, 0xFA44E0B4L, 0xE9141340L, 0x1B7F9043L,  
0xCFB5F4A8L, 0x3DDE77ABL, 0x2E8E845FL, 0xDCE5075CL,  
0x92A8FC17L, 0x60C37F14L, 0x73938CE0L, 0x81F80FE3L,  
0x55326B08L, 0xA759E80BL, 0xB4091BFFL, 0x466298FCL,  
0x1871A4D8L, 0xEA1A27DBL, 0xF94AD42FL, 0x0B21572CL,  
0xDFEB33C7L, 0x2D80B0C4L, 0x3ED04330L, 0xCCBBC033L,  
0xA24BB5A6L, 0x502036A5L, 0x4370C551L, 0xB11B4652L,  
0x65D122B9L, 0x97BAA1BAL, 0x84EA524EL, 0x7681D14DL,  
0x2892ED69L, 0xDAF96E6AL, 0xC9A99D9EL, 0x3BC21E9DL,  
0xEF087A76L, 0x1D63F975L, 0x0E330A81L, 0xFC588982L,  
0xB21572C9L, 0x407EF1CAL, 0x532E023EL, 0xA145813DL,  
0x758FE5D6L, 0x87E466D5L, 0x94B49521L, 0x66DF1622L,  
0x38CC2A06L, 0xCAA7A905L, 0xD9F75AF1L, 0x2B9CD9F2L,  
0xFF56BD19L, 0x0D3D3E1AL, 0x1E6DCDEEL, 0xEC064EEDL,  
0xC38D26C4L, 0x31E6A5C7L, 0x22B65633L, 0xD0DDD530L,  
0x0417B1DBL, 0xF67C32D8L, 0xE52CC12CL, 0x1747422FL,  
0x49547E0BL, 0xBB3FFD08L, 0xA86F0EFCL, 0x5A048DFFL,  
0x8ECEE914L, 0x7CA56A17L, 0x6FF599E3L, 0x9D9E1AE0L,  
0xD3D3E1ABL, 0x21B862A8L, 0x32E8915CL, 0xC083125FL,  
0x144976B4L, 0xE622F5B7L, 0xF5720643L, 0x07198540L,  
0x590AB964L, 0xAB613A67L, 0xB831C993L, 0x4A5A4A90L,  
0x9E902E7BL, 0x6CFBAD78L, 0x7FAB5E8CL, 0x8DC0DD8FL,  
0xE330A81AL, 0x115B2B19L, 0x020BD8EDL, 0xF0605BEEL,  
0x24AA3F05L, 0xD6C1BC06L, 0xC5914FF2L, 0x37FACCF1L,  
0x69E9F0D5L, 0x9B8273D6L, 0x88D28022L, 0x7AB90321L,  
0xAE7367CAL, 0x5C18E4C9L, 0x4F48173DL, 0xBD23943EL,  
0xF36E6F75L, 0x0105EC76L, 0x12551F82L, 0xE03E9C81L,  
0x34F4F86AL, 0xC69F7B69L, 0xD5CF889DL, 0x27A40B9EL,  
0x79B737BAL, 0x8BDCB4B9L, 0x988C474DL, 0x6AE7C44EL,  
0xBE2DA0A5L, 0x4C4623A6L, 0x5F16D052L, 0xAD7D5351L,  
\};  
\#endif

u\_int32\_t  
crc32c(unsigned char \*buffer, unsigned int length)  
\{  
unsigned int i;  
unsigned long crc32 = ~0L;  
unsigned long result;  
unsigned char byte0,byte1,byte2,byte3;

for (i = 0; i < length; i++)\{  
CRC32C(crc32, buffer\[i\]);  
\}  
result = ~crc32;

/\* result now holds the negated polynomial remainder;  
\* since the table and algorithm is "reflected" \[williams95\].  
\* That is, result has the same value as if we mapped the message  
\* to a polynomial, computed the host-bit-order polynomial  
\* remainder, performed final negation, then did an end-for-end  
\* bit-reversal.  
\* Note that a 32-bit bit-reversal is identical to four inplace  
\* 8-bit reversals followed by an end-for-end byteswap.  
\* In other words, the bytes of each bit are in the right order,  
\* but the bytes have been byteswapped. So we now do an explicit  
\* byteswap. On a little-endian machine, this byteswap and  
\* the final ntohl cancel out and could be elided.  
\*/

byte0 = result & 0xff;  
byte1 = (result>>8) & 0xff;  
byte2 = (result>>16) & 0xff;  
byte3 = (result>>24) & 0xff;

crc32 = ((byte0 << 24) |  
(byte1 << 16) |  
(byte2 << 8) |  
byte3);  
return ( crc32 );  
\}

4. 结论

Linux内核网络编程中经常会遇到重新计算校验和的问题，这个基本功一定是要掌握的，其实内核中已经提供了大量的校验和计算函数供使用，要尽量使用这些已有函数而不必自己重新编写。

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