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以前看计算机网络相关的书,每次看到IP或者UDP报头校验和时,都一瞥而过,以为相当简单,不就是16bit数据的相加吗。最近在研究《TCP/IP详解 卷1:协议》这本书,看到校验和是16bit字的二进制反码和(晕,以前都没注意原来是反码和,看来以前看书不仔细啊!罪过,罪过~~),觉得很奇怪,为什么会用反码和,而不是直接求和呢?(因为我认为TCP/IP协议里面的算法和思想一般都是非常经典的,人家这么做一定有原因的)下面就来探索一下这个校验和算法具体怎么实现的。 首先,IP、ICMP、UDP和TCP报文头部都有校验和字段,大小都是16bit,算法也基本一样: 在发送数据时,为了计算数据包的校验和。应该按如下步骤: (1)把校验和字段置为0; 在接收数据时,计算数据包的校验和相对简单,按如下步骤: 虽然上面四种报文的校验和算法一样,但在作用范围存在不同:IP校验和只校验20字节的IP报头;而ICMP校验和覆盖整个报文(ICMP报头+ICMP数据);UDP和TCP校验和不仅覆盖整个报文,而且还有12字节的IP伪首部,包括源IP地址(4字节)、目的IP地址(4字节)、协议(2字节,第一字节补0)和TCP/UDP包长(2字节)。另外UDP、TCP数据报的长度可以为奇数字节,所以在计算校验和时需要在最后增加填充字节0(注意,填充字节只是为了计算校验和,可以不被传送)。 这里还要提一点,UDP的校验和是可选的,当校验和字段为0时,表明该UDP报文未使用校验和,接收方就不需要校验和检查了!那如果UDP校验和的计算结果是0时怎么办呢?书上有这么一句话:“如果校验和的计算结果为0,则存入的值为全1(65535),这在二进制反码计算中是等效的。” 讲了这么多,那这个校验和到底是怎么算的呢? 1. 什么是二进制反码求和 对一个无符号的数,先求其反码,然后从低位到高位,按位相加,有溢出则向高位进1(跟一般的二进制加法规则一样),若最高位有进位,则向最低位进1。 首先这里的反码好像跟我们以前学的有符号数的反码不一样(即正数的反码是其本身,负数的反码是在其原码的基础上,符号位不变,其余各位取反),这里不分正负数,直接每个位都取反! 上面加粗的那句是跟我们一般的加法规则不太一样的地方:最高位有进位,则向最低位进1。确实有些疑惑,为什么要这样做呢?仔细分析一下(为了方便说明,以 4bit二进制反码求和举例),上面的这种操作,使得在发生加法进位溢出时,溢出的值并不是10000,而是1111。也即是当相加结果满1111时溢出,这样也可以说明为什么0000和1111都表示0了(你同样可以发现,任何数与这两个数做二进制反码求和运算结果都是原数,这恰好符合数0的加法意义)。 下面再举例两种二进制反码求和的运算: 原码加法运算 反码加法运算 从上面两个例子可以看出,当加法未发生溢出时,原码与反码加法运算结果一样;当有溢出时,结果就不一样了,原码是满10000溢出,而反码是满1111溢出,所以相差正好是1。举例只是为了形象地观察二进制反码求和的运算规则,至于为什么要定义这样的规则以及该运算规则还存在其它什么特性,可能就需要涉及代数理论的东西的了(呜呜~~数学理论没学好啊,只能从表面上分析分析)。 另外关于二进制反码求和运算需要说明的一点是,先取反后相加与先相加后取反,得到的结果是一样的!(事实上我们的编程算法里,几乎都是先相加后取反。) 2. 校验和算法的实现
复制代码 代码如下:[cpp] view plaincopy //计算校验和 USHORT checksum(USHORT *buffer,int size) { unsigned long cksum=0; while(size>1) { cksum+=*buffer++; size-=sizeof(USHORT); } if(size) { cksum+=*(UCHAR *)buffer; } //将32位数转换成16 while (cksum>>16) cksum=(cksum>>16)+(cksum & 0xffff); return (USHORT) (~cksum); } buffer是指向需校验数据缓存区的指针,size是需校验数据的总长度(字节为单位) 3. 为什么使用二进制反码求和呢? 好了,最后一个问题,为什么要使用二进制反码来计算校验和呢,而不是直接使用原码或者补码? It may look awkword to use a 1's complement addition on 2's complement machines. This method however has its own benefits. 上面是原文的一部分,说明在TCP/IP校验和中使用反码求和的一些优点: a. 不依赖系统是大端还是小端。 即无论你是发送方计算或者接收方检查校验和时,都不需要调用htons 或者 ntohs,直接通过上面第2节的算法就可以得到正确的结果。这个问题你可以自己举个例子,用反码求和时,交换16位数的字节顺序,得到的结果相同,只是字节顺序相应地也交换了;而如果使用原码或者补码求和,得到的结果可能就不相同! |
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