IPv4协议首部结构分析及校验位算法实现

记录一哈, 嗅探路由数据转发的需求, 需要对IPv4的校验位进行重新计算填充.
特此记录下IPv4协议求和校验位的算法实现.

IPv4与Ipv6的首部区别

Ipv4协议包含首部校验和字段等信息, 导致路由转发时需要进行重新计算, 增加了延时成本, 在IPv6中取消了对应的校验和字段.

IPv4 数据包结构

这里用Wireshark随便抓个包看下Network Layer的Packet.

这里看到IPv4 首部的Packet
版本: 4
首部长度: 20字节
服务类型TOS: 0
报文总长度: 1440字节
生存时间TTL: 49
协议类型: TCP
首部校验和: 0x0bc2
源IP地址: 140.249.34.22
目标IP地址: 192.168.1.101
Packet首部数据:
45 00 05 a0 c7 79 40 00 31 06 [0b c2] 8c f9 22 16 c0 a8 01 65

阐述下校验和的算法实现

1. 在发送数据时，为了计算数IP据报的校验和, 需要把校验位置0. 即0x0bc2 => 0x0000
   Packet首部数据:
   45 00 05 a0 c7 79 40 00 31 06 [00 00] 8c f9 22 16 c0 a8 01 65
   首部以16位(2字节 无符号Short数据类型 )为单位划分, 进行求和
   Packet首部数据:
   4500 05a0 c779 4000 3106 [0000] 8cf9 2216 c0a8 0165

	0x4500
   +0x05a0
   +0xc779
   +0x4000
   +0x3106
   +0x0000 => header-checksum 已经重置为0
   +0x8cf9
   +0x2216
   +0xc0a8
   +0x0165
   =0x2f43b

2. 由于校验位为两个字节, 0x2f43b高位2溢出, 这里需要采用反码加法运算, 通用的补码运算都是直接丢掉溢出的高位, 这里需要将高位的值在低位进行相加.
   即 0x0002 + 0xf43b = 0xf43d
3. 这里再将0xf43d进行取反即可.1111 0100 0011 1011 => 0000 1011 1100 0100 取反后的十六进制为0x0bc2
4. 取反后的值与checksum校验即可.

C算法实现

/*求校验和函数*/
USHORT CheckSum(USHORT *buffer, int size)
{
     
    unsigned long cksum=0;
    while (size > 1)
    {
     
        cksum += *buffer++;
        size -= sizeof(USHORT);
    }
    if (size)
    {
     
        cksum += *(UCHAR*)buffer;
    }
    /*对每个16bit进行二进制反码求和*/
    cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
    cksum += (cksum >>16);
    return (USHORT)(~cksum);
}

Java算法实现

public static void main(String[] args) {
     
    // 这里偷懒, 直接用Netty提供的ByteBuf了
	final ByteBuf buffer = Unpooled.wrappedBuffer(new byte[]{
     
		(byte) 0x45, 0x00, 0x05, (byte) 0xa0,
		(byte) 0xc7, 0x7a, (byte) 0x40, 0x00, 
		(byte) 0x31, 0x06,        0x00, 0x00,
		(byte) 0x8c, (byte) 0xf9, 0x22, 0x16, 
		(byte) 0xc0, (byte) 0xa8, 0x01, 0x65
    });
    int sum = 0;
    while (buffer.isReadable()) {
     
        // 这里可以去看java.nio.Bits#makeShort
        // (short)((b1 << 8) | (b0 & 0xff));
        sum += buffer.readUnsignedShort();
    }
    // ipv4首部10个16位short值相加
    // 反码加法(高位溢出, 低位相加)
    sum = (sum >> 16 & 0xffff) + sum & 0xffff;
    // 取反
    sum = ~sum & 0xffff;
    final String checksum = Integer.toHexString(sum);
    // 这里用的guava依赖..
    System.out.println("checksum -> " + Strings.padStart(checksum, 4, '0'));
}

参考文献:

http://blog.chinaunix.net/uid-23782786-id-4076612.html