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2013-01-02 21:21:15


  1.                         网络校验和计算

  2. 本文档的Copyleft归yfydz所有,使用GPL发布,可以自由拷贝,转载,转载时请保持文档的完整性,严禁用于任何商业用途。
  3. msn: yfydz_no1@hotmail.com
  4. 来源:http://yfydz.cublog.cn
  5. 参考文献:RFC1071,1141,3309

  6. 1. 前言

  7. 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。

  8. 2. 16位校验和计算

  9. 2.1 基本原理
  10. 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。

  11. 2.2 程序算法

  12. 2.2.1 C实现
  13. 这是RFC1071中提供的C语言程序:
  14. unsigned short csum(unsigned char *addr, int count)
  15. {
  16.            /* Compute Internet Checksum for "count" bytes
  17.             * beginning at location "addr".
  18.             */
  19.        register long sum = 0;
  20.  
  21.        while( count > 1 ) {
  22.            /* This is the inner loop */
  23.                sum += * (unsigned short) addr++;
  24.                count -= 2;
  25.        }
  26.  
  27.            /* Add left-over byte, if any */
  28.        if( count > 0 )
  29.                sum += * (unsigned char *) addr;
  30.  
  31.            /* Fold 32-bit sum to 16 bits */
  32.        while (sum>>16)
  33.            sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
  34.  
  35.        return ~sum;
  36. }

  37. 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。

  38. 2.2.2 增量式修改

  39. 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:

  40.          ~C' = ~(C + (-m) + m') = ~C + (m - m') = ~C + m + ~m'
  41. 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

  42. C代码实现为:

  43.       UpdateTTL(iph,n)
  44.       struct ip_hdr *ipptr;
  45.       unsigned char n;
  46.       {
  47.           unsigned long sum;
  48.           unsigned short old;
  49.  
  50.           old = ntohs(*(unsigned short *)&ipptr->ttl);
  51.           ipptr->ttl -= n;
  52.           sum = old + (~ntohs(*(unsigned short *)&ipptr->ttl) & 0xffff);
  53.           sum += ntohs(ipptr->Checksum);
  54.           sum = (sum & 0xffff) + (sum>>16);
  55.           ipptr->Checksum = htons(sum + (sum>>16));
  56.       }
  57.  
  58. 2.3 网络应用

  59. 2.3.1 IPv4
  60. 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。

  61. 2.3.2 IPv6
  62. IPv6头本身已经不包括校验和字段,只靠上层协议的校验和。

  63. 2.3.3 ICMP/IGMP

  64. 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。

  65. 2.3.4 TCP/UDP

  66. 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。
  67.  
  68. 3. 32位校验和

  69. 3.1 以太帧

  70. 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。

  71. 3.2 SCTP
  72. 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。

  73. 以下是从Linux内核源码SCTP实现中摘取的CRC32算法源码:
  74. /* Example of the crc table file */
  75. #ifndef __crc32cr_table_h__
  76. #define __crc32cr_table_h__
  77. #define CRC32C_POLY 0x1EDC6F41
  78. #define CRC32C(c,d) (c=(c>>8)^crc_c[(c^(d))&0xFF])
  79. static unsigned long crc_c[256] =
  80. {
  81. 0x00000000L, 0xF26B8303L, 0xE13B70F7L, 0x1350F3F4L,
  82. 0xC79A971FL, 0x35F1141CL, 0x26A1E7E8L, 0xD4CA64EBL,
  83. 0x8AD958CFL, 0x78B2DBCCL, 0x6BE22838L, 0x9989AB3BL,
  84. 0x4D43CFD0L, 0xBF284CD3L, 0xAC78BF27L, 0x5E133C24L,
  85. 0x105EC76FL, 0xE235446CL, 0xF165B798L, 0x030E349BL,
  86. 0xD7C45070L, 0x25AFD373L, 0x36FF2087L, 0xC494A384L,
  87. 0x9A879FA0L, 0x68EC1CA3L, 0x7BBCEF57L, 0x89D76C54L,
  88. 0x5D1D08BFL, 0xAF768BBCL, 0xBC267848L, 0x4E4DFB4BL,
  89. 0x20BD8EDEL, 0xD2D60DDDL, 0xC186FE29L, 0x33ED7D2AL,
  90. 0xE72719C1L, 0x154C9AC2L, 0x061C6936L, 0xF477EA35L,
  91. 0xAA64D611L, 0x580F5512L, 0x4B5FA6E6L, 0xB93425E5L,
  92. 0x6DFE410EL, 0x9F95C20DL, 0x8CC531F9L, 0x7EAEB2FAL,
  93. 0x30E349B1L, 0xC288CAB2L, 0xD1D83946L, 0x23B3BA45L,
  94. 0xF779DEAEL, 0x05125DADL, 0x1642AE59L, 0xE4292D5AL,
  95. 0xBA3A117EL, 0x4851927DL, 0x5B016189L, 0xA96AE28AL,
  96. 0x7DA08661L, 0x8FCB0562L, 0x9C9BF696L, 0x6EF07595L,
  97. 0x417B1DBCL, 0xB3109EBFL, 0xA0406D4BL, 0x522BEE48L,
  98. 0x86E18AA3L, 0x748A09A0L, 0x67DAFA54L, 0x95B17957L,
  99. 0xCBA24573L, 0x39C9C670L, 0x2A993584L, 0xD8F2B687L,
  100. 0x0C38D26CL, 0xFE53516FL, 0xED03A29BL, 0x1F682198L,
  101. 0x5125DAD3L, 0xA34E59D0L, 0xB01EAA24L, 0x42752927L,
  102. 0x96BF4DCCL, 0x64D4CECFL, 0x77843D3BL, 0x85EFBE38L,
  103. 0xDBFC821CL, 0x2997011FL, 0x3AC7F2EBL, 0xC8AC71E8L,
  104. 0x1C661503L, 0xEE0D9600L, 0xFD5D65F4L, 0x0F36E6F7L,
  105. 0x61C69362L, 0x93AD1061L, 0x80FDE395L, 0x72966096L,
  106. 0xA65C047DL, 0x5437877EL, 0x4767748AL, 0xB50CF789L,
  107. 0xEB1FCBADL, 0x197448AEL, 0x0A24BB5AL, 0xF84F3859L,
  108. 0x2C855CB2L, 0xDEEEDFB1L, 0xCDBE2C45L, 0x3FD5AF46L,
  109. 0x7198540DL, 0x83F3D70EL, 0x90A324FAL, 0x62C8A7F9L,
  110. 0xB602C312L, 0x44694011L, 0x5739B3E5L, 0xA55230E6L,
  111. 0xFB410CC2L, 0x092A8FC1L, 0x1A7A7C35L, 0xE811FF36L,
  112. 0x3CDB9BDDL, 0xCEB018DEL, 0xDDE0EB2AL, 0x2F8B6829L,
  113. 0x82F63B78L, 0x709DB87BL, 0x63CD4B8FL, 0x91A6C88CL,
  114. 0x456CAC67L, 0xB7072F64L, 0xA457DC90L, 0x563C5F93L,
  115. 0x082F63B7L, 0xFA44E0B4L, 0xE9141340L, 0x1B7F9043L,
  116. 0xCFB5F4A8L, 0x3DDE77ABL, 0x2E8E845FL, 0xDCE5075CL,
  117. 0x92A8FC17L, 0x60C37F14L, 0x73938CE0L, 0x81F80FE3L,
  118. 0x55326B08L, 0xA759E80BL, 0xB4091BFFL, 0x466298FCL,
  119. 0x1871A4D8L, 0xEA1A27DBL, 0xF94AD42FL, 0x0B21572CL,
  120. 0xDFEB33C7L, 0x2D80B0C4L, 0x3ED04330L, 0xCCBBC033L,
  121. 0xA24BB5A6L, 0x502036A5L, 0x4370C551L, 0xB11B4652L,
  122. 0x65D122B9L, 0x97BAA1BAL, 0x84EA524EL, 0x7681D14DL,
  123. 0x2892ED69L, 0xDAF96E6AL, 0xC9A99D9EL, 0x3BC21E9DL,
  124. 0xEF087A76L, 0x1D63F975L, 0x0E330A81L, 0xFC588982L,
  125. 0xB21572C9L, 0x407EF1CAL, 0x532E023EL, 0xA145813DL,
  126. 0x758FE5D6L, 0x87E466D5L, 0x94B49521L, 0x66DF1622L,
  127. 0x38CC2A06L, 0xCAA7A905L, 0xD9F75AF1L, 0x2B9CD9F2L,
  128. 0xFF56BD19L, 0x0D3D3E1AL, 0x1E6DCDEEL, 0xEC064EEDL,
  129. 0xC38D26C4L, 0x31E6A5C7L, 0x22B65633L, 0xD0DDD530L,
  130. 0x0417B1DBL, 0xF67C32D8L, 0xE52CC12CL, 0x1747422FL,
  131. 0x49547E0BL, 0xBB3FFD08L, 0xA86F0EFCL, 0x5A048DFFL,
  132. 0x8ECEE914L, 0x7CA56A17L, 0x6FF599E3L, 0x9D9E1AE0L,
  133. 0xD3D3E1ABL, 0x21B862A8L, 0x32E8915CL, 0xC083125FL,
  134. 0x144976B4L, 0xE622F5B7L, 0xF5720643L, 0x07198540L,
  135. 0x590AB964L, 0xAB613A67L, 0xB831C993L, 0x4A5A4A90L,
  136. 0x9E902E7BL, 0x6CFBAD78L, 0x7FAB5E8CL, 0x8DC0DD8FL,
  137. 0xE330A81AL, 0x115B2B19L, 0x020BD8EDL, 0xF0605BEEL,
  138. 0x24AA3F05L, 0xD6C1BC06L, 0xC5914FF2L, 0x37FACCF1L,
  139. 0x69E9F0D5L, 0x9B8273D6L, 0x88D28022L, 0x7AB90321L,
  140. 0xAE7367CAL, 0x5C18E4C9L, 0x4F48173DL, 0xBD23943EL,
  141. 0xF36E6F75L, 0x0105EC76L, 0x12551F82L, 0xE03E9C81L,
  142. 0x34F4F86AL, 0xC69F7B69L, 0xD5CF889DL, 0x27A40B9EL,
  143. 0x79B737BAL, 0x8BDCB4B9L, 0x988C474DL, 0x6AE7C44EL,
  144. 0xBE2DA0A5L, 0x4C4623A6L, 0x5F16D052L, 0xAD7D5351L,
  145. };
  146. #endif
  147. u_int32_t
  148. crc32c(unsigned char *buffer, unsigned int length)
  149. {
  150.   unsigned int i;
  151.   unsigned long crc32 = ~0L;
  152.   unsigned long result;
  153.   unsigned char byte0,byte1,byte2,byte3;
  154.   for (i = 0; i < length; i++){
  155.       CRC32C(crc32, buffer[i]);
  156.   }
  157.   result = ~crc32;
  158.   /* result now holds the negated polynomial remainder;
  159.    * since the table and algorithm is "reflected" [williams95].
  160.    * That is, result has the same value as if we mapped the message
  161.    * to a polynomial, computed the host-bit-order polynomial
  162.    * remainder, performed final negation, then did an end-for-end
  163.    * bit-reversal.
  164.    * Note that a 32-bit bit-reversal is identical to four inplace
  165.    * 8-bit reversals followed by an end-for-end byteswap.
  166.    * In other words, the bytes of each bit are in the right order,
  167.    * but the bytes have been byteswapped. So we now do an explicit
  168.    * byteswap. On a little-endian machine, this byteswap and
  169.    * the final ntohl cancel out and could be elided.
  170.    */
  171.   byte0 = result & 0xff;
  172.   byte1 = (result>>8) & 0xff;
  173.   byte2 = (result>>16) & 0xff;
  174.   byte3 = (result>>24) & 0xff;
  175.   crc32 = ((byte0 << 24) |
  176.            (byte1 << 16) |
  177.            (byte2 << 8) |
  178.            byte3);
  179.   return ( crc32 );
  180. }
  181.  
  182. 4. 结论
  183.  
  184. 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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