網絡校驗和計算

 網絡校驗和計算
1. 前言

校驗和計算是NAT功能和內容修改功能的基本功,這些操作進行後都需要修改數據頭中的校驗和。
2. 16位校驗和計算
2.1 基本原理

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等協議的校驗和算法都是相同的,採用的都是將數據流視爲16位整數流進行重複疊加計算。爲了計算檢驗和,首先把檢驗和字段置爲0。然後,對有效數據範圍內中每個16位進行二進制反碼求和,結果存在檢驗和字段中,如果數據長度爲奇數則補一字節0。當收到數據後,同樣對有效數據範圍中每個16位數進行二進制反碼的求和。由於接收方在計算過程中包含了發送方存在首部中的檢驗和,因此,如果首部在傳輸過程中沒有發生任何差錯,那麼接收方計算的結果應該爲全0或全1(具體看實現了,本質一樣) 。如果結果不是全0或全1,那麼表示數據錯誤。
2.2 程序算法
2.2.1 C實現

這是RFC1071中提供的C語言程序:
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;
}
當然,如果用彙編語言實現計算速度會快得多,對於不同的CPU體系,需要各自對應編寫不同的彙編,在Linux內核源代碼中有各種CPU體系的IP校驗和計算源代碼。
2.2.2 增量式修改
如果只修改了一個字節,如只修改IP頭中的TTL,重新計算校驗和時是沒必要將所有數據範圍內數據重新計算一遍的,RFC1141中提出了增量式算法:
~C' = ~(C + (-m) + m') = ~C + (m - m') = ~C + m + ~m'
C'爲修改後的校驗和,C爲修改前的校驗和,m爲修改前的數值,m'爲修改後的數值,~爲補碼值。
C代碼實現爲:
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 網絡應用
2.3.1 IPv4

IPv4層中的校驗和只包括IPv4頭部分,不包括上層協議頭和應用層數據,校驗和是必須計算的。
2.3.2 IPv6
IPv6頭本身已經不包括校驗和字段,只靠上層協議的校驗和。
2.3.3 ICMP/IGMP
ICMP/IGMP校驗和計算範圍爲從ICMP/IGMP開始到數據結束,不包括IP頭部分,校驗和是必須計算的。
2.3.4 TCP/UDP
TCP/UDP的校驗和計算有點特殊,所計算的數據範圍除了包括TCP/UDP頭開始到數據結束外,還要包括一個IP僞頭部分,所謂僞頭,只有12字節數據,包括源地址(4字節)、目的地址(4字節)、協議(2字節,第一字節補0)和TCP/UDP包長(2字節)。TCP的校驗和是必須的,而UDP的校驗和是可選的,如果UDP中校驗和字段爲0,表示不進行校驗和計算,因此對於UDP協議數據的修改後想偷懶的話直接將校驗和設爲0 就可以了。
3. 32位校驗和
3.1 以太幀

以太幀校驗和使用的是CRC校驗,校驗和爲4字節32位,算法比較適合硬件實現,其計算和校驗都是底層完成的,在IP棧以上時就不用考慮,即使上層直接是構造以太幀發送,也只需構造以太頭部即可,發送時由底層自動添加後面的校驗和。
3.2 SCTP
在SCTP(協議號:132)協議中,校驗和計算比較特殊,採用了和以太包校驗和相似的CRC32算法(RFC3309),計算結果是32位而不再是16位。計算範圍爲從SCTP頭到數據結束,不包括IP僞頭。
以下是從Linux內核源碼SCTP實現中摘取的CRC32算法源碼:
/* 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. 結論
Linux內核網絡編程中經常會遇到重新計算校驗和的問題,這個基本功一定是要掌握的,其實內核中已經提供了大量的校驗和計算函數供使用,要儘量使用這些已有函數而不必自己重新編寫。
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