UDP之数据报校验和

由于目前很多网卡设备是支持对L4层数据包进行校验和的计算和验证的，所以在L4协议软件的实现中，会根据网卡的支持情况作不同的处理，为此内核在struct sk_buff结构和struct net_device中增加了校验和相关的参数，如下：

struct sk_buff

上面的结构中，和校验和有关的几个字段如下：

#define CHECKSUM_NONE 0
#define CHECKSUM_UNNECESSARY 1
#define CHECKSUM_COMPLETE 2
#define CHECKSUM_PARTIAL 3

struct sk_buff
{
	union {
		__wsum		csum;
		struct {
			__u16	csum_start;
			__u16	csum_offset;
		};
	};
    __u8 ip_summed:2,
}

联合体中哪个成员有效取决于ip_summed的值，ip_summed共两个bit，可取四个标志，而且在发送和接收时的含义还有所不同。

在接收过程中，ip_summed字段包含了设备驱动告诉L4软件当前校验和的状态，各取值含义如下：

• CHECKSUM_NONE：硬件没有提供校验和，可能是硬件不支持，也可能是硬件校验出错但是并未丢弃数据包，而是让L4软件重新校验；
• CHECKSUM_UNNECESSARY：硬件已经进行了完整的校验，无需软件再进行检查，L4收到数据包后如果检查ip_summed是这种情况，就可以跳过校验过程；
• CHECKSUM_COMPLETE：硬件已经校验了L4报头和其payload部分，并且校验和保存在了csum中，L4软件只需要再计算伪报头然后检查校验结果即可。

在发送过程中，ip_summed字段包含了L4软件告诉设备驱动程序当前校验和的状态，各取值含义如下：

• CHECKSUM_NONE：L4软件已经进行了校验，硬件无需做任何事情；
• CHECKSUM_PARTIAL：L4软件计算了伪报头，并且将值保存在了首部的check字段中，硬件需要计算其余部分的校验和。

struct net_device

net_device结构中的feature字段中定义了如下和校验和相关的字段，这些字段表明了硬件计算校验和的能力。

feature	含义
NETIF_F_NO_CSUM	该设备非常可靠，无需L4执行任何校验，环回设备一般设置该标记
NETIF_F_IP_CSUM	设备可以对基于IPv4的TCP和UDP数据包进行校验
NETIF_F_IPV6_CSUM	设备可以对基于IPv6的TCP和UDP数据包进行校验
NETIF_F_HW_CSUM	设备可以对任何L4协议的数据包进行校验

注：这些概念和字段的含义同样适用于TCP校验和处理过程

1. 输入数据报的校验和计算

1.1 udp4_csum_init()

@skb: 待校验的数据报
@uh：该数据报的UDP首部
@proto：L4协议号，为IPPROTO_UDP或者IPPROTO_UDPLITE
static inline int udp4_csum_init(struct sk_buff *skb, struct udphdr *uh,
				 int proto)
{
	const struct iphdr *iph;
	int err;

	//这两个字段用于指示对报文的哪些部分进行校验，cov指coverage，
	//只有UDPLite使用，对于UDP，会对整个报文进行校验
	UDP_SKB_CB(skb)->partial_cov = 0;
	UDP_SKB_CB(skb)->cscov = skb->len;

	//UDPLITE，忽略
	if (proto == IPPROTO_UDPLITE) {
		err = udplite_checksum_init(skb, uh);
		if (err)
			return err;
	}

	iph = ip_hdr(skb);
	//UDP首部校验和字段为0，这种情况说明已经处理过了，设置为CHECKSUM_UNNECESSARY，后续无需再进行处理
	if (uh->check == 0) {
		skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
	} else if (skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE) {
		//还有伪首部需要校验，所以添加伪首部校验，如果校验成功，设置为CHECKSUM_UNNECESSARY
		//csum_tcpudp_magic()计算伪首部校验和后进行验证，如果验证ok，返回0，该函数体系结构相关，
		//为了高效，用汇编语言实现
		if (!csum_tcpudp_magic(iph->saddr, iph->daddr, skb->len, proto, skb->csum))
			skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
	}
	//如果经过上面处理后仍然需要校验，则计算校验和，并将结果放入到skb->csum中
	if (!skb_csum_unnecessary(skb))
		skb->csum = csum_tcpudp_nofold(iph->saddr, iph->daddr,
					       skb->len, proto, 0);

	return 0;
}

//在接收方向上，CHECKSUM_UNNECESSARY表示校验ok，无需再进行校验和计算
static inline int skb_csum_unnecessary(const struct sk_buff *skb)
{
	return skb->ip_summed & CHECKSUM_UNNECESSARY;
}

1.2 udp_lib_checksum_complete()

//返回0表示校验成功
static inline int udp_lib_checksum_complete(struct sk_buff *skb)
{
	//如果需要校验则调用__udp_lib_checksum_complete()进行校验
	return !skb_csum_unnecessary(skb) &&
		__udp_lib_checksum_complete(skb);
}

/*
 *	Generic checksumming routines for UDP(-Lite) v4 and v6
 */
static inline __sum16 __udp_lib_checksum_complete(struct sk_buff *skb)
{
	//增加一个需要校验的长度字段，对于UDP，该字段就是整个报文长度
	return __skb_checksum_complete_head(skb, UDP_SKB_CB(skb)->cscov);
}

__sum16 __skb_checksum_complete_head(struct sk_buff *skb, int len)
{
	__sum16 sum;

	//计算校验和，如果成功，那么最终结果应该是0
	sum = csum_fold(skb_checksum(skb, 0, len, skb->csum));
	if (likely(!sum)) {
		//为什么CHECKSUM_COMPLETE时是校验失败？？？
		if (unlikely(skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE))
			netdev_rx_csum_fault(skb->dev);
		//设置校验和状态为CHECKSUM_UNNECESSARY
		skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
	}
	return sum;
}

2. 输出数据包的校验和计算

待补充…