IP/TCP/UDP checsum
今天调试bug时, 忘了将原始的check_sum值reset,导致发包-抓包后发现。check-sum 错误。
来看一看check-sum:简单讲就是对要计算的数据,以16bit为单元进行累加,然后取反
checksum在收包和发包时意义不一样
TCP收包时:
/*
* @csum: Checksum (must include start/offset pair)
* @csum_start: Offset from skb->head where checksumming should start
* @csum_offset: Offset from csum_start where checksum should be stored
* @ip_summed: Driver fed us an IP checksum
*/
struct sk_buff {
union {
__wsum csum;
struct {
__u16 csum_start;
__u16 csum_offset;
};
}; __u8 ip_summed:2,
skb->ip_summed一般的取值如下 ;skb->csum:存放硬件或者软件计算的payload的checksum不包括伪头
/* Don't change this without changing skb_csum_unnecessary! */
#define CHECKSUM_NONE 0
#define CHECKSUM_UNNECESSARY 1
#define CHECKSUM_COMPLETE 2
#define CHECKSUM_PARTIAL 3
- CHECKSUM_UNNECESSARY
CHECKSUM_UNNECESSARY表示底层硬件已经计算了CSUM;所以TCP层在收到包后,发现skb->ip_summed为CHECKSUM_UNNECESSARY就不会再检查checksum:
- CHECKSUM_NONE
csum中的校验和无效,可能有以下几种原因:设备不支持硬件校验和计算;设备计算了硬件校验和,但发现该数据帧已经损坏。部分驱动不会丢弃,而是将ip_summed设置为CHECKSUM_NONE,然后交给上层协议栈重新计算并处理这种错误。
- CHECKSUM_COMPLETE
网卡已经计算了L4层报头和payload的校验和,并且skb->csum已经被赋值,此时L4层的接收者只需要加伪头并验证校验结果。
TCP发包时:
skb->ip_summed用于L4校验和的状态,以通知底层网卡是否还需要处理校验和;此时ip_summed可以被设置的值有下面两种
- CHECKSUM_NONE
CHECKSUM_NONE表示协议栈已经计算了校验和,设备不需要做任何事情
- CHECKSUM_PARTIAL
CHECKSUM_PARTIAL表示使用硬件checksum ,协议栈已经计算L4层的伪头的校验和
skb->csum表示为csum_start和csum_offset,它表示硬件网卡存放将要计算的校验值的地址,和最后填充的便宜。这个域在输出包时使用,只在校验值在硬件计算的情况下才对于网卡真正有意义。硬件checksum功能只能用于非分片报文
- 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。
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 computingthe checksum, the checksum field itself is replaced with zeros.
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;
校验和的计算与顺序无关, 可以从数据块开始计算, 也可以从未尾开始向前计算
RFC 1071的IP校验和定义
1. Adjacent octets to be checksummed are paired to form 16-bit integers, and the 1's complement sum of these 16-bit integers is formed.
2. To generate a checksum, the checksum field itself is cleared, the 16-bit 1's complement sum is computed over the octets concerned, and the 1's complement of this sum is placed in the checksum field.
3. To check a checksum, the 1's complement sum is computed over the same set of octets, including the checksum field. If the result is all 1 bits (-0 in 1's complement arithmetic), the check succeeds.
内核协议栈中:
为了提高计算效率, TCP包的校验和并不一次算出,而是采用32位部分累加和(sk->csum)进行增量计算.
csum_partial()用来计算数据块的32位部分累加和, 累加和可以用csum_fold()折叠为16位校验和.csum_partial_copy_nocheck()可在拷贝用户数据的同时计算出它的部分累加和.
为了加快执行速度, csum_partial()将8个32位字分为一组用分立的指令进行32位累加,这样可加长循环体中指令长度, 提高CPU指令流水线的效率.
TCP包接收校验的初始化
static __sum16 tcp_v4_checksum_init(struct sk_buff *skb)
{
const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
//如果TCP包本身的校验已经完成
if (skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE) {
if (!tcp_v4_check(skb->len, iph->saddr, iph->daddr, skb->csum)) { //附加伪头进行校验
skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
return 0;
}
}
//生成包含伪头的累加和
skb->csum = csum_tcpudp_nofold(iph->saddr, iph->daddr, skb->len, IPPROTO_TCP, 0);
if (skb->len <= 76) {
return __skb_checksum_complete(skb); //计算数据部分校验和
}
return 0;
}
附加伪头进行校验
static inline __sum16 tcp_v4_check(int len, __be32 saddr, __be32 daddr, __wsum base)
{
return csum_tcpudp_magic(saddr, daddr, len, IPPROTO_TCP, base);
}
static inline __sum16 csum_tcpudp_magic(__be32 saddr, __be32 daddr, unsigned short len, unsigned short proto, __wsum sum)
{
return csum_fold(csum_tcpudp_nofold(saddr, daddr, len, proto, sum));
}
生成包含伪头的累加和(源,目的,长度,协议号)
static inline __wsum csum_tcpudp_nofold(__be32 saddr, __be32 daddr, unsigned short len, unsigned short proto, __wsum sum)
{
__asm__(
"addl %1, %0 ;\n" //addl 加法
"adcl %2, %0 ;\n" //adcl 带进位的加法
"adcl %3, %0 ;\n"
"adcl $0, %0 ;\n" //如果有进位,进行累加
: "=r" (sum)
: "g" (daddr), "g"(saddr), "g"((len + proto) << 8), "0"(sum)
); return sum;
}
将32位累加和折叠成16位校验和
static inline __sum16 csum_fold(__wsum sum)
{
__asm__(
"addl %1, %0 ;\n"
"adcl $0xffff, %0 ;\n"
: "=r" (sum)
: "r" ((__force u32)sum << 16), "0" ((__force u32)sum & 0xffff0000)
);
return (__force __sum16)(~(__force u32)sum >> 16);
}
基于伪头累加和,完成全包校验
static __inline__ int tcp_checksum_complete(struct sk_buff *skb)
{
return skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY && __tcp_checksum_complete(skb);
}
__sum16 __skb_checksum_complete(struct sk_buff *skb)
{
return __skb_checksum_complete_head(skb, skb->len);
}
__sum16 __skb_checksum_complete_head(struct sk_buff *skb, int len)
{
__sum16 sum; sum = csum_fold(skb_checksum(skb, 0, len, skb->csum));
if (likely(!sum)) {
if (unlikely(skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE))
netdev_rx_csum_fault(skb->dev);
skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
}
return sum;
}
__wsum skb_checksum(const struct sk_buff *skb, int offset, int len, __wsum csum)
{
int start = skb_headlen(skb);
int i, copy = start - offset;
int pos = 0; /* Checksum header. */
if (copy > 0) {
if (copy > len)
copy = len; csum = csum_partial(skb->data + offset, copy, csum);
if ((len -= copy) == 0)
return csum; offset += copy;
pos = copy;
}
......
}
计算32位中间累加和
unsigned int csum_partial(const unsigned char * buff, int len, unsigned int sum)
{
//arch/x86/lib/checksum_32.S 汇编文件
}
基于TCP用户数据的中间累加和, 生成TCP包校验码
void tcp_v4_send_check(struct sock *sk, int len, struct sk_buff *skb)
{
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb); if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) {
th->check = ~tcp_v4_check(len, inet->saddr, inet->daddr, 0); //附加伪头进行校验
skb->csum_start = skb_transport_header(skb) - skb->head;
skb->csum_offset = offsetof(struct tcphdr, check);
} else {
//完整的tcp校验和计算方法
th->check = tcp_v4_check(len, inet->saddr, inet->daddr, csum_partial((char *)th, th->doff << 2, skb->csum));
}
}
在拷贝用户数据时同时计算累加和
unsigned int csum_partial_copy_nocheck(const char *src, char *dst, int len, int sum)
{
return csum_partial_copy_generic(src, dst, len, sum, NULL, NULL); // arch/x86/lib/checksum_32.S
}
ip头校验和计算
static inline __sum16 ip_fast_csum(const void *iph, unsigned int ihl)
{
unsigned int sum; __asm__ __volatile__(
"movl (%1), %0 ;\n"
"subl $4, %2 ;\n"
"jbe 2f ;\n"
"addl 4(%1), %0 ;\n" //sum = sum + *(iph+4)
"adcl 8(%1), %0 ;\n" //sum = sum + *(iph+8) + carry
"adcl 12(%1), %0 ;\n" //sum = sum + *(iph+12) + carry
"1: adcl 16(%1), %0 ;\n" //sum = sum + *(iph+16) + carry
"lea 4(%1), %1 ;\n" //iph = iph + 4
"decl %2 ;\n"
"jne 1b ;\n"
"adcl $0, %0 ;\n"
"movl %0, %2 ;\n"
"shrl $16, %0 ;\n"
"addw %w2, %w0 ;\n"
"adcl $0, %0 ;\n"
"notl %0 ;\n"
"2: ;\n"
/* Since the input registers which are loaded with iph and ihl are modified, we must also specify them as outputs,
or gcc will assume they contain their original values. */
: "=r" (sum), "=r" (iph), "=r" (ihl)
: "1" (iph), "2" (ihl)
: "memory"
);
return (__force __sum16)sum;
}
递减ip->ttl,更新校验和
static inline int ip_decrease_ttl(struct iphdr *iph)
{
u32 check = (__force u32)iph->check;
check += (__force u32)htons(0x0100);
iph->check = (__force __sum16)(check + (check>=0xFFFF));
return --iph->ttl;
}
static inline __wsum csum_add(__wsum csum, __wsum addend)
{
u32 res = (__force u32)csum;
res += (__force u32)addend;
return (__force __wsum)(res + (res < (__force u32)addend));
} static inline __wsum csum_sub(__wsum csum, __wsum addend)
{
return csum_add(csum, ~addend);
} static inline __wsum csum_block_add(__wsum csum, __wsum csum2, int offset)
{
u32 sum = (__force u32)csum2;
if (offset & 1)
sum = ((sum & 0xFF00FF)<<8) + ((sum>>8) & 0xFF00FF);
return csum_add(csum, (__force __wsum)sum);
}
static inline __wsum csum_block_sub(__wsum csum, __wsum csum2, int offset)
{
u32 sum = (__force u32)csum2;
if (offset & 1)
sum = ((sum & 0xFF00FF)<<8) + ((sum>>8) & 0xFF00FF);
return csum_sub(csum, (__force __wsum)sum);
}
[/函数实现]
转载:https://www.cnblogs.com/super-king/p/3284884.html
https://hustcat.github.io/checksum-in-kernel/
https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/checksum-offloads.txt
https://w180112.pixnet.net/blog/post/200083785
http://blog.chinaunix.net/uid-25518484-id-5709671.html
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