增量式修改检验和（IP, TCP, UDP）算法的研究和实现

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* Author: Godbach
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对于数据包中检验和的计算，很多讲TCP/IP协议的书中都讲过，RFC1071是讨论计算检验和的文档。传统的计算方法都是需要将整个数据报文的数据（IP报文是计算IP头部的数据）进行反码求和。

但在实际的应用中，存在对收到的数据包进行修改若干个地方，并回送至发送方或者转发的情况。这个时候，就涉及的重新计算数据包的检验和。最常见的可能就 是，将收到的数据包的TTL字段减1，并转发的情况。如果仍旧按照传统的计算检验和的方式进行计算，特别是当数据包长度很大时，为了重新计算校验和而将整 个数据包的数据遍历一边，反码求和，效率肯定比较低。

一、增量修改检验和的实现

解决的方法就是采用增量式修改检验和的方法。该方法是由RFC1141提出的。这里进行以下简单的变通，将增量式修改检验和的公式列出来：
HC -- 数据包中旧的检验和
HC'-- 数据包中新的检验和
m  -- 数据包中某个域(16-bit字)修改前的值
m' -- 数据包中某个域(16-bit字)修改后的值

那么，修改某个域之后的校验和HC'与HC，m 和m'的关系如下：
    HC' = HC + m + ~m'        （公式1）

具体实现的C代码如下：

/*implemented according with RFC 1071 and 1141*/

static unsigned short csum_incremental_update(unsigned short old_csum,

                unsigned short old_field,

                unsigned short new_field)

{

    unsigned long csum = old_csum + old_field + (~new_field & 0xFFFF);

    csum = (csum >> 16) + (csum & 0xFFFF);

    csum += (csum >> 16);

    return csum;

}

这个时候，如果修改了IP头部的TTL值，将取修改前的TTL域所在的16-bit字的值为old_field, 修改后的为new_field, 并取出就得检验和old_csum，通过调用该函数即可计算出新的检验和。
当然该函数每次只能计算一个16-bit字，如果对数据包中修改了过多的16-bit字，那么它的性能将会如何呢。

用TCP数据包做测试。而且该TCP数据包为三次握手时的数据包，仅有头部，没有数据部分。对该数据包修改了8个不同的16-bit字，调用该函数8次所需的时间仍旧不到传统计算方法的一半。可见，效果适合明显的。

二、增量修改检验和的完善
1.RFC1071和1141所提出的增量式修改检验有一个BUG，就是按照公式1计算新的检验和时，有可能出现计算结果为0xFFFF的情形，可以参看 RFC1624给出的例子。如果检验和为0xFFFF,则意味着数据包中所有部分相加的结果为0x0000。这是不可能的。因此，RFC1624提出了对 这个BUG的改进方法，见公式2：
    HC' = ~(~HC + ~m + m')        （公式2）
公式2先对旧的检验和和某个域的值取反，加上新的域值之后，将整体的和再次取反得出新的检验和。
具体实现的C代码如下：

/*implemented according with RFC 1624, modified the algorithm from RFC 1071 and 1141*/

static unsigned short csum_incremental_update_modified(unsigned short old_csum,

                unsigned short old_field,

                unsigned short new_field)

{

    unsigned long csum = (~old_csum & 0xFFFF) + (~old_field & 0xFFFF) + new_field ;

    csum = (csum >> 16) + (csum & 0xFFFF);

    csum += (csum >> 16);

    return ~csum;

}

该方法和公式1给出的方法很明显多出了两次取反操作，在效率上并没有公式1的高，这个也经过了实际的测试。
2. 对此，RFC1624又给出了另外一个方法既可以保证修正RFC1071和RFC1141的BUG，又可以保证执行的效率，见公式3：
    HC' = HC - ~m - m'        （公式3）
公式3采用减法操作代替公示2中的加法操作。
具体实现的AT&T汇编代码如下：

/*incremental update IP ,TCP, UDP checksum,
implemented in Assembly according with RFC 1624, used subtraction to update checksum*/
static inline unsigned short csum_incremental_update(unsigned short old_csum,
                                unsigned short old_field,
                                unsigned short new_field)
{
    __asm__ __volatile__(
        "notw %1; \n"
        "subw %1, %0; \n"
        "sbbw %2, %0; \n"
        "sbbw $0, %0; \n"
        :"=r" (old_csum)
        :"r"(old_field), "r"(new_field), "0"(old_csum));
    return old_csum;
}

经过实际测试，公式3的效率比公式2的效率高了很多，基本上和公示1的效率接近。

以上就是本人关于增量式修改检验和的研究和实现。不妥之处，请多指点。