TCP校验和（Checksum）的原理和实现

概述

TCP校验和（Checksum）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。

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

首先解释下伪首部的概念，伪首部的数据都是从IP数据报头获取的。其目的是让TCP检查数据是否已经正确到达目的地，只是单纯为了做校验用的。

struct 
{
unsigned long saddr;  //源地址
unsigned long daddr; //目的地址
char mbz; //强制置空
char ptcl; //协议类型
unsigned short tcpl; //TCP长度
}psd_header;

伪首部共有12字节（前96Bits），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。

校验和计算

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。

举个例子来解释该校验方法：

1、首先将检验和置零；
2、然后将TCP伪首部部分，TCP首部部分，数据部分都划分成16位的一个个16进制数
3、将这些数逐个相加，记得溢出的部分加到最低位上，这是循环加法：
0xc0a8+ 0x0166+……+0x0402=0x9b49
4、最后将得到的结果取反，则可以得到检验和位0x64b6

校验和反码求和 的实现

发送方：原码相加 ，并将高位叠加到低位，取反 ，得到反码求和结果，放入校验和
接收方：将所有原码 相加，高位叠加， 如全为1，则正确

下面为C实现较为原始的checksum算法，代码中对于算法做了比较详细的注释：

unsigned short 
checksum(unsigned short * addr, int count)

{
long sum = 0;
/*
计算所有数据的16bit对之和
*/
    while( count > 1  )  {
        /*  This is the inner loop */
        sum += *(unsigned short*)addr++;

        count -= 2
    }   

/* 如果数据长度为奇数，在该字节之后补一个字节(0),
   然后将其转换为16bit整数，加到上面计算的校验和
　　中。
 */
    if( count > 0 ) { 
        char left_over[2] = {0};
        left_over[0] = *addr;
        sum += * (unsigned short*) left_over;
    }   

/*  将32bit数据压缩成16bit数据，即将进位加大校验和
　　的低字节上，直到没有进位为止。
 */
    while (sum>>16)
        sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
　　
  　/*返回校验和的反码*/
   return ~sum;
}