TCP校验和原理和计算方法

概述

    TCP校验和是一个端到端的校验和，由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现TCP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。如果接收方检测到校验和有差错，则TCP段会被直接丢弃。

    TCP校验和覆盖TCP首部和TCP数据，而IP首部中的校验和只覆盖IP的首部，不覆盖IP数据报中的任何数据。
    TCP的校验和是必需的，而UDP的校验和是可选的。

    TCP和UDP计算校验和时，都要加上一个12字节的伪首部。

 

伪首部

    伪首部共有12字节，包含如下信息：源IP地址、目的IP地址、保留字节(置0)、传输层协议号(TCP是6)、TCP报文长度(报头+数据)。伪首部是为了增加TCP校验和的检错能力：如检查TCP报文是否收错了(目的IP地址)、传输层协议是否选对了(传输层协议号)等。

定义

(1) RFC 793的TCP校验和定义

The checksum field is the 16 bit one's complement of the one's complement sum of all 16-bit words in the header and text.

If a segment contains an odd number of header and text octets to be checksummed, the last octet is padded on the right

with zeros to form a 16-bit word for checksum purposes. The pad is not transmitted as part of the segment. While computing

the checksum, the checksum field itself is replaced with zeros.

 

    上述的定义说得很明确：

    首先，把伪首部、TCP报头、TCP数据分为16位的字，如果总长度为奇数个字节，则在最后增添一个位都为0的字节。把TCP报头中的校验和字段置为0（否则就陷入鸡生蛋还是蛋生鸡的问题）。

    其次，用反码相加法累加所有的16位字（进位也要累加）。

    最后，对计算结果取反，作为TCP的校验和。

实现
    下面两图展示了IP头部和TCP头部内容和字节序号对应关系，方便后续代码阅读：

图一，IP头部

图二， TCP头部：

算法：

/**********************************************************************
*FUNCTION: computeTCPChecksum
*
*ARGUMENTS:
* ipHdr -- pointer to IP header
* tcpHdr -- pointer to TCP header
*
*RETURNS:
* The computed TCP checksum
***********************************************************************/
UINT16_t computeTCPChecksum(unsigned char *ipHdr, unsigned char *tcpHdr)
{
    UINT32_t sum = 0;

    // IP报文中长度
    UINT16_t count = ipHdr[2] * 256 + ipHdr[3];
    UINT16_t tmp;

    unsigned char *addr = tcpHdr;

    // 12字节伪首部
    unsigned char pseudoHeader[12];

    // 计算TCP头部和数据总长度(按字节)
    // IP报文总长度 - IP头部长度(按4字节计算) = IP负载长度(TCP总长度)
    count -= (ipHdr[0] & 0x0F) * 4;

    // 复制ip头部中原地址和目的地址信息(iphdr[12-19])到伪头部中
    memcpy(pseudoHeader, ipHdr+12, 8);

    // 伪头部填充
    pseudoHeader[8] = 0;

    // IP头部中的上层协议
    pseudoHeader[9] = ipHdr[9];

    // 伪头部中TCP长度
    pseudoHeader[10] = (count >> 8) & 0xFF;
    pseudoHeader[11] = (count & 0xFF);

    // 计算伪首部累加和
    sum += * (UINT16_t *) pseudoHeader;
    sum += * ((UINT16_t *) (pseudoHeader+2));
    sum += * ((UINT16_t *) (pseudoHeader+4));
    sum += * ((UINT16_t *) (pseudoHeader+6));
    sum += * ((UINT16_t *) (pseudoHeader+8));
    sum += * ((UINT16_t *) (pseudoHeader+10));

    // 计算TCP头部和数据累加和
    while (count > 1)
    {
        memcpy(&tmp, addr, sizeof(tmp));
        sum += (UINT32_t) tmp;
        addr += sizeof(tmp);
        count -= sizeof(tmp);
    }

    // 如果TCP总长度为奇数，最后一个字节单独计算
    if (count > 0)
    {
        sum += (unsigned char) *addr;
    }

    // 如果所有累加和超过16位，把进位继续类型，然后重新验证
    // 知道累加和可以用16位表达
    while(sum >> 16)
    {
        sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
    }

    // 累加和取反
    return (UINT16_t) ((~sum) & 0xFFFF);
}