TCP校验和的原理和实现

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。

 

Author : zhangskd @ csdn blog

 

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。

 

(2) 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.

 

可以看到，TCP校验和、IP校验和的计算方法是基本一致的，除了计算的范围不同。

 

实现

 

基于2.6.18、x86_64。

csum_tcpudp_nofold()按4字节累加伪首部到sum中。

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1. static inline unsigned long csum_tcpudp_nofold (unsigned long saddr, unsigned long daddr,  
2.                                                 unsigned short len, unsigned short proto,  
3.                                                 unsigned int sum)  
4. {  
5.     asm("addl %1, %0\n"    /* 累加daddr */  
6.         "adcl %2, %0\n"    /* 累加saddr */  
7.         "adcl %3, %0\n"    /* 累加len(2字节), proto, 0*/  
8.         "adcl $0, %0\n"    /*加上进位 */  
9.         : "=r" (sum)  
10.         : "g" (daddr), "g" (saddr), "g" ((ntohs(len) << 16) + proto*256), "0" (sum));  
11.     return sum;  
12. }   

 

csum_tcpudp_magic()产生最终的校验和。

首先，按4字节累加伪首部到sum中。

其次，累加sum的低16位、sum的高16位，并且对累加的结果取反。

最后，截取sum的高16位，作为校验和。

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1. static inline unsigned short int csum_tcpudp_magic(unsigned long saddr, unsigned long daddr,  
2.                                                    unsigned short len, unsigned short proto,  
3.                                                    unsigned int sum)  
4. {  
5.     return csum_fold(csum_tcpudp_nofold(saddr, daddr, len, proto, sum));  
6. }  
7.   
8. static inline unsigned int csum_fold(unsigned int sum)  
9. {  
10.     __asm__(  
11.         "addl %1, %0\n"  
12.         "adcl 0xffff, %0"  
13.         : "=r" (sum)  
14.         : "r" (sum << 16), "0" (sum & 0xffff0000)   
15.   
16.         /* 将sum的低16位，作为寄存器1的高16位，寄存器1的低16位补0。 
17.           * 将sum的高16位，作为寄存器0的高16位，寄存器0的低16位补0。 
18.           * 这样，addl %1, %0就累加了sum的高16位和低16位。 
19.           * 
20.          * 还要考虑进位。如果有进位，adcl 0xfff, %0为：0x1 + 0xffff + %0，寄存器0的高16位加1。 
21.           * 如果没有进位，adcl 0xffff, %0为：0xffff + %0，对寄存器0的高16位无影响。 
22.           */  
23.   
24.     );  
25.   
26.     return (~sum) >> 16; /* 对sum取反，返回它的高16位，作为最终的校验和 */  
27. }  

 

发送校验

 

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1. #define CHECKSUM_NONE 0 /* 需要由传输层自己计算校验和 */  
2. #define CHECKSUM_HW 1 /* 由硬件计算报头和首部的校验和 */  
3. #define CHECKSUM_UNNECESSARY 2 /* 表示不需要校验，或者已经成功校验了 */  
4. #define CHECKSUM_PARTIAL CHECKSUM_HW  
5. #define CHECKSUM_COMPLETE CHECKSUM_HW  

 

@tcp_transmit_skb()

    icsk->icsk_af_ops->send_check(sk, skb->len, skb); /* 计算校验和 */

 

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1. void tcp_v4_send_check(struct sock *sk, int len, struct sk_buff *skb)  
2. {  
3.     struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);  
4.     struct tcphdr *th = skb->h.th;  
5.    
6.     if (skb->ip_summed == CHECKSUM_HW) {  
7.         /* 只计算伪首部，TCP报头和TCP数据的累加由硬件完成 */  
8.         th->check = ~tcp_v4_check(th, len, inet->saddr, inet->daddr, 0);  
9.         skb->csum = offsetof(struct tcphdr, check); /* 校验和值在TCP首部的偏移 */  
10.   
11.     } else {  
12.         /* tcp_v4_check累加伪首部，获取最终的校验和。 
13.          * csum_partial累加TCP报头。 
14.          * 那么skb->csum应该是TCP数据部分的累加，这是在从用户空间复制时顺便累加的。 
15.          */  
16.         th->check = tcp_v4_check(th, len, inet->saddr, inet->daddr,  
17.                                  csum_partial((char *)th, th->doff << 2, skb->csum));  
18.     }  
19. }  

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1. unsigned csum_partial(const unsigned char *buff, unsigned len, unsigned sum)  
2. {  
3.     return add32_with_carry(do_csum(buff, len), sum);  
4. }  
5.   
6. static inline unsigned add32_with_carry(unsigned a, unsigned b)  
7. {  
8.     asm("addl %2, %0\n\t"  
9.              "adcl $0, %0"  
10.              : "=r" (a)  
11.              : "0" (a), "r" (b));  
12.     return a;  
13. }   

 

do_csum()用于计算一段内存的校验和，这里用于累加TCP报头。

具体计算时用到一些技巧：

1. 反码累加时，按16位、32位、64位来累加的效果是一样的。

2. 使用内存对齐，减少内存操作的次数。

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1. static __force_inline unsigned do_csum(const unsigned char *buff, unsigned len)  
2. {  
3.     unsigned odd, count;  
4.     unsigned long result = 0;  
5.   
6.     if (unlikely(len == 0))  
7.         return result;  
8.   
9.     /* 使起始地址为XXX0，接下来可按2字节对齐 */  
10.     odd = 1 & (unsigned long) buff;  
11.     if (unlikely(odd)) {  
12.         result = *buff << 8; /* 因为机器是小端的 */  
13.         len--;  
14.         buff++;  
15.     }  
16.     count = len >> 1; /* nr of 16-bit words，这里可能余下1字节未算，最后会处理*/  
17.   
18.     if (count) {  
19.         /* 使起始地址为XX00，接下来可按4字节对齐 */  
20.         if (2 & (unsigned long) buff) {  
21.             result += *(unsigned short *)buff;  
22.             count--;  
23.             len -= 2;  
24.             buff += 2;  
25.         }  
26.         count >>= 1; /* nr of 32-bit words，这里可能余下2字节未算，最后会处理 */  
27.   
28.         if (count) {  
29.             unsigned long zero;  
30.             unsigned count64;  
31.             /* 使起始地址为X000，接下来可按8字节对齐 */  
32.             if (4 & (unsigned long)buff) {  
33.                 result += *(unsigned int *)buff;  
34.                 count--;  
35.                 len -= 4;  
36.                 buff += 4;  
37.             }  
38.             count >>= 1; /* nr of 64-bit words，这里可能余下4字节未算，最后会处理*/  
39.   
40.             /* main loop using 64byte blocks */  
41.             zero = 0;  
42.             count64 = count >> 3; /* 64字节的块数，这里可能余下56字节未算，最后会处理 */  
43.             while (count64) { /* 反码累加所有的64字节块 */  
44.                 asm ("addq 0*8(%[src]), %[res]\n\t"    /* b、w、l、q分别对应8、16、32、64位操作 */  
45.                           "addq 1*8(%[src]), %[res]\n\t"    /* [src]为指定寄存器的别名，效果应该等同于0、1等 */  
46.                           "adcq 2*8(%[src]), %[res]\n\t"  
47.                           "adcq 3*8(%[src]), %[res]\n\t"  
48.                           "adcq 4*8(%[src]), %[res]\n\t"  
49.                           "adcq 5*8(%[src]), %[res]\n\t"  
50.                           "adcq 6*8(%[src]), %[res]\n\t"  
51.                           "adcq 7*8(%[src]), %[res]\n\t"  
52.                           "adcq %[zero], %[res]"  
53.                           : [res] "=r" (result)  
54.                           : [src] "r" (buff), [zero] "r" (zero), "[res]" (result));  
55.                 buff += 64;  
56.                 count64--;  
57.             }  
58.   
59.             /* 从这里开始，反序处理之前可能漏算的字节 */  
60.   
61.             /* last upto 7 8byte blocks，前面按8个8字节做计算单位，所以最多可能剩下7个8字节 */  
62.             count %= 8;  
63.             while (count) {  
64.                 asm ("addq %1, %0\n\t"  
65.                      "adcq %2, %0\n"  
66.                      : "=r" (result)  
67.                      : "m" (*(unsigned long *)buff), "r" (zero), "0" (result));  
68.                 --count;  
69.                 buff += 8;  
70.             }  
71.   
72.             /* 带进位累加result的高32位和低32位 */  
73.             result = add32_with_carry(result>>32, result&0xffffffff);  
74.   
75.             /* 之前始按8字节对齐，可能有4字节剩下 */  
76.             if (len & 4) {  
77.                 result += *(unsigned int *) buff;  
78.                 buff += 4;  
79.             }  
80.         }  
81.   
82.        /* 更早前按4字节对齐，可能有2字节剩下 */  
83.         if (len & 2) {  
84.             result += *(unsigned short *) buff;  
85.             buff += 2;  
86.         }  
87.     }  
88.   
89.     /* 最早之前按2字节对齐，可能有1字节剩下 */  
90.     if (len & 1)  
91.         result += *buff;  
92.   
93.     /* 再次带进位累加result的高32位和低32位 */  
94.     result = add32_with_carry(result>>32, result & 0xffffffff);   
95.   
96.     /* 这里涉及到一个技巧，用于处理初始地址为奇数的情况 */  
97.     if (unlikely(odd)) {  
98.         result = from32to16(result); /* 累加到result的低16位 */  
99.         /* result为：0 0 a b 
100.          * 然后交换a和b，result变为：0 0 b a 
101.          */  
102.         result = ((result >> 8) & 0xff) | ((result & oxff) << 8);  
103.     }  
104.   
105.     return result; /* 返回result的低32位 */  
106. }  

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1. static inline unsigned short from32to16(unsigned a)  
2. {  
3.     unsigned short b = a >> 16;  
4.     asm ("addw %w2, %w0\n\t"  
5.               "adcw $0, %w0\n"  
6.               : "=r" (b)  
7.               : "0" (b), "r" (a));  
8.     return b;  
9. }  

 

csum_partial_copy_from_user()用于拷贝用户空间数据到内核空间，同时计算用户数据的校验和，

结果保存到skb->csum中（X86_64）。

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1. /** 
2.  * csum_partial_copy_from_user - Copy and checksum from user space. 
3.  * @src: source address (user space) 
4.  * @dst: destination address 
5.  * @len: number of bytes to be copied. 
6.  * @isum: initial sum that is added into the result (32bit unfolded) 
7.  * @errp: set to -EFAULT for an bad source address. 
8.  * 
9.  * Returns an 32bit unfolded checksum of the buffer. 
10.  * src and dst are best aligned to 64bits. 
11.  */  
12.   
13. unsigned int csum_partial_copy_from_user(const unsigned char __user *src,  
14.                                   unsigned char *dst, int len, unsigned int isum, int *errp)  
15. {  
16.     might_sleep();  
17.     *errp = 0;  
18.   
19.     if (likely(access_ok(VERIFY_READ, src, len))) {  
20.   
21.         /* Why 6, not 7? To handle odd addresses aligned we would need to do considerable 
22.          * complications to fix the checksum which is defined as an 16bit accumulator. The fix 
23.          * alignment code is primarily for performance compatibility with 32bit and that will handle 
24.          * odd addresses slowly too. 
25.          * 处理X010、X100、X110的起始地址。不处理X001，因为这会使复杂度大增加。 
26.          */  
27.         if (unlikely((unsigned long)src & 6)) {  
28.             while (((unsigned long)src & 6) && len >= 2) {  
29.                 __u16 val16;  
30.                 *errp = __get_user(val16, (__u16 __user *)src);  
31.                 if (*errp)  
32.                     return isum;  
33.                 *(__u16 *)dst = val16;  
34.                 isum = add32_with_carry(isum, val16);  
35.                 src += 2;  
36.                 dst += 2;  
37.                 len -= 2;  
38.             }  
39.         }  
40.   
41.         /* 计算函数是用纯汇编实现的，应该是因为效率吧 */  
42.         isum = csum_parial_copy_generic((__force void *)src, dst, len, isum, errp, NULL);  
43.   
44.         if (likely(*errp == 0))  
45.             return isum; /* 成功 */  
46.     }  
47.   
48.     *errp = -EFAULT;  
49.     memset(dst, 0, len);  
50.     return isum;  
51. }  

 

上述的实现比较复杂，来看下最简单的csum_partial_copy_from_user()实现（um）。

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1. unsigned int csum_partial_copy_from_user(const unsigned char *src,  
2.                                          unsigned char *dst, int len, int sum,  
3.                                          int *err_ptr)  
4. {  
5.     if (copy_from_user(dst, src, len)) { /* 拷贝用户空间数据到内核空间 */  
6.         *err_ptr = -EFAULT; /* bad address */  
7.         return (-1);  
8.     }  
9.   
10.     return csum_partial(dst, len, sum); /* 计算用户数据的校验和，会存到skb->csum中 */  
11. }  

 

接收校验

 

@tcp_v4_rcv

    /* 检查校验和 */

    if (skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY && tcp_v4_checksum_init(skb))

        goto bad_packet;   

 

接收校验的第一部分，主要是计算伪首部。

[java]  view plain  copy

1. static int tcp_v4_checksum_init(struct sk_buff *skb)  
2. {  
3.     /* 如果TCP报头、TCP数据的反码累加已经由硬件完成 */  
4.     if (skb->ip_summed == CHECKSUM_HW) {  
5.   
6.         /* 现在只需要再累加上伪首部，取反获取最终的校验和。 
7.          * 校验和为0时，表示TCP数据报正确。 
8.          */  
9.         if (! tcp_v4_check(skb->h.th, skb->len, skb->nh.iph->saddr, skb->nh.iph->daddr, skb->csum)) {  
10.             skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;  
11.             return 0; /* 校验成功 */  
12.   
13.         } /* 没有else失败退出吗？*/  
14.     }  
15.   
16.     /* 对伪首部进行反码累加，主要用于软件方法 */  
17.     skb->csum = csum_tcpudp_nofold(skb->nh.iph->saddr, skb->nh.iph->daddr, skb->len, IPPROTO_TCP, 0);  
18.    
19.   
20.     /* 对于长度小于76字节的小包，接着累加TCP报头和报文，完成校验；否则，以后再完成检验。*/  
21.     if (skb->len <= 76) {  
22.         return __skb_checksum_complete(skb);  
23.     }  
24. }  

 

接收校验的第二部分，计算报头和报文。

tcp_v4_rcv、tcp_v4_do_rcv()

    | --> tcp_checksum_complete()

                | --> __tcp_checksum_complete()

                            | --> __skb_checksum_complete()

 

tcp_rcv_established()

    | --> tcp_checksum_complete_user()

                | --> __tcp_checksum_complete_user()

                            | --> __tcp_checksum_complete()

                                        | --> __skb_checksum_complete()

 

[java]  view plain  copy

1. unsigned int __skb_checksum_complete(struct sk_buff *skb)  
2. {  
3.     unsigned int sum;  
4.   
5.     sum = (u16) csum_fold(skb_checksum(skb, 0, skb->len, skb->csum));  
6.   
7.     if (likely(!sum)) { /* sum为0表示成功了 */  
8.         /* 硬件检测失败，软件检测成功了，说明硬件检测有误 */  
9.         if (unlikely(skb->ip_summed == CHECKSUM_HW))  
10.             netdev_rx_csum_fault(skb->dev);  
11.         skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;  
12.     }  
13.     return sum;  
14. }  

 

计算skb包的校验和时，可以指定相对于skb->data的偏移量offset。

由于skb包可能由分页和分段，所以需要考虑skb->data + offset是位于此skb段的线性区中、

还是此skb的分页中，或者位于其它分段中。这个函数逻辑比较复杂。

[java]  view plain  copy

1. /* Checksum skb data. */  
2. unsigned int skb_checksum(const struct sk_buff *skb, int offset, int len, unsigned int csum)  
3. {  
4.     int start = skb_headlen(skb); /* 线性区域长度 */  
5.     /* copy > 0，说明offset在线性区域中。 
6.      * copy < 0，说明offset在此skb的分页数据中，或者在其它分段skb中。 
7.      */  
8.     int i, copy = start - offset;  
9.     int pos = 0; /* 表示校验了多少数据 */  
10.   
11.     /* Checksum header. */  
12.     if (copy > 0) { /* 说明offset在本skb的线性区域中 */  
13.         if (copy > len)  
14.             copy = len; /* 不能超过指定的校验长度 */  
15.   
16.         /* 累加copy长度的线性区校验 */  
17.         csum = csum_partial(skb->data + offset, copy, csum);  
18.   
19.         if ((len -= copy) == 0)  
20.             return csum;  
21.   
22.         offset += copy; /* 接下来从这里继续处理 */  
23.         pos = copy; /* 已处理数据长 */  
24.     }  
25.   
26.     /* 累加本skb分页数据的校验和 */  
27.     for (i = 0; i < skb_shinfo(skb)->nr_frags; i++) {  
28.         int end;  
29.         BUG_TRAP(start <= offset + len);  
30.       
31.         end = start + skb_shinfo(skb)->frags[i].size;  
32.   
33.         if ((copy = end - offset) > 0) { /* 如果offset位于本页中，或者线性区中 */  
34.             unsigned int csum2;  
35.             u8 *vaddr; /* 8位够吗？*/  
36.             skb_frag_t *frag = &skb_shinfo(skb)->frags[i];  
37.    
38.             if (copy > len)  
39.                 copy = len;  
40.   
41.             vaddr = kmap_skb_frag(frag); /* 把物理页映射到内核空间 */  
42.             csum2 = csum_partial(vaddr + frag->page_offset + offset - start, copy, 0);  
43.             kunmap_skb_frag(vaddr); /* 解除映射 */  
44.   
45.             /* 如果pos为奇数，需要对csum2进行处理。 
46.              * csum2：a, b, c, d => b, a, d, c 
47.              */  
48.             csum = csum_block_add(csum, csum2, pos);  
49.   
50.             if (! (len -= copy))  
51.                 return csum;  
52.   
53.             offset += copy;  
54.             pos += copy;  
55.         }  
56.         start = end; /* 接下来从这里处理 */  
57.     }  
58.    
59.     /* 如果此skb是个大包，还有其它分段 */  
60.     if (skb_shinfo(skb)->frag_list) {  
61.         struct sk_buff *list = skb_shinfo(skb)->frag_list;  
62.   
63.         for (; list; list = list->next) {  
64.             int end;  
65.             BUG_TRAP(start <= offset + len);  
66.    
67.             end = start + list->len;  
68.   
69.             if ((copy = end - offset) > 0) { /* 如果offset位于此skb分段中，或者分页，或者线性区 */  
70.                 unsigned int csum2;  
71.                 if (copy > len)  
72.                     copy = len;  
73.   
74.                 csum2 = skb_checksum(list, offset - start, copy, 0); /* 递归调用 */  
75.                 csum = csum_block_add(csum, csum2, pos);  
76.                 if ((len -= copy) == 0)  
77.                     return csum;  
78.   
79.                 offset += copy;  
80.                 pos += copy;  
81.             }  
82.             start = end;  
83.         }  
84.     }  
85.   
86.     BUG_ON(len);  
87.     return csum;  
88. }