Linux内核分析 - 网络[十三]：校验和

内核版本：2.6.34

报文的IP校验和、ICMP校验和、TCP/UDP校验和使用相同的算法，在RFC1071中定义，网上这方面的 资料和例子很多，就不解释算法流程了，而是侧重于在实现的变化和技巧。

The checksum algorithm is simply to add up all the 16-bit words in one's complement and then to take the one's complement of the sum.

校验和的计算可以分为两步：累加、取反。这个划分很重要，它大大减少了校验和计算的消耗。校验和计 算首要要明确一点：校验和计算是很耗时的！原因并不在于算法复杂，而是在于输入数据的庞大，试想传送500M文件，则内核要 校验500M字节的数据，并且对于每个报文，都是要进行校验和。所以协议栈的校验和实现并不是简单明了的，使用了很多方法来 规避这种开销。

第一：推迟校验和计算

按照协议的规定，报文到达每一层，首先验证校验 和是否正确，丢弃掉不正确的报文，再才会进行后续操作。对于传输层下的协议，内核是这样做的，因为IP只需要校验IP报头， 最多60字节；而对于网络层上的协议，内核就不是这样做的，ICMP/TCP/UDP都需要校验报文的内容，而这部分消耗是很大的。

以UDP为例，在报文传递到UDP处理时，它并不会去验证校验和是否正确，而是直接将报文skb插入 到相应socket的接收队列sk_receive_queue中。等到真正有程序要接收这个报文，从接收队列中取出时，内核才去计算校验和。 考量下这种做法，由于推迟了校验和计算，因此很多错误的报文都被接收了，它们会占用处理报文的流程，直到报文准备进入用 户空间时，这时候才计算了校验和，发现错误并丢弃掉。这样看似乎平白无故增加了开销，必竟校验和的计算是一定要进行的。 但这样做，将校验和计算推迟到了拷贝报文到用户空间时，这两个操作的绑定是很关键的。本来，校验和计算要遍历一次报文， 而拷贝又要遍历一次报文，这样就是两次遍历操作，合并后用一次遍历搞定，它所节约的开销是远远多于额外支付的。

第二：分离校验和计算步骤

开始提到校验和的计算分为两步：累加、取反，将这两步分开后，会 发现校验和是可以一部分一部分计算的，最后再用每部分计算的值求和取反。这个特性在另一方面对拷贝和校验和计算同时进行 提供了支持。并且，由于报文可能是分片重组的，这样报文内容并不是一起存储在线性地址空间中，而是将分片挂在第一个分片 skb的frag_list上，这部分内容是存储在非线性地址空间的。因此，拷贝会一个分片一个分片的进行，由于校验和计算的划分， 它也可以一个分片一个分片的计算。csum_partial()和csum_fold()就是为此而生的，前者计算累加，后者计算取反。

所以一般校验和会这样计算，skb_checksum()计算skb的累加和，并和之前已经计算出的累加和skb- >csum相加，然后csum_fold()对最后结果取反，就是得到的校验和。s

um = csum_fold(skb_checksum(skb, 0, len, skb->csum));

第三：改进校验和计算

RFC1071中校验和计算是每16bit为 单位的，但实际在累加这一步是可以调整的，内核计算是每32bit计算的，单位越大，循环就少，效率也自然会高。下面要说明 的是32bit累加与16bit累加结果是一致的。

假设要计算8个字节的校验和，这8字节按每16bit分成 4份：1,2,3,4。左边是每16bit累加的过程，右边是每32bit累加的过程：

会出现疑惑的地方就是累加的进位问题，左边16bit累加进位加到sum中，右边32bit累加进位也要加到sum中，至于2,4相 加产生的进位，和16bit累加进位的结果是一样的。下面就是32bit累加的代码段，w>result判断是否产生了进位，假设X+Y=Z 产生了进位溢出，则X&lt;Z且Y<Z，否则Z>X且Z>Y。

unsigned int 

carry = 0;     
do {     
 unsigned int w = *(unsigned int *) buff;     
 count--;     
 buff += 4;     
 result += carry;     
 result += w;     
 carry = (w > result);     
} while (count);     
result += carry;     
result = (result & 0xffff) + (result >> 16);

第四：校验和计算技巧

节 省校验和最好的办法就是不计算校验和，这在某些情况下是可行的，比如大流量发包时或局域网中，这时效率比正确性更为重要 。skb->ip_summed参数就是为此目的，CHECKSUM_UNNECESSARY就跳过校验和计算。或者用户在发包时设置校验和字段 checksum=0，也会跳过校验和计算。

skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;

另外为了加速校验和计算，很多网卡都提供了硬件计算校验和，特别的，linux使用了skb->ip_summed和skb->csum 来使用硬件计算能力来帮助校验TCP/UDP报文。CHECKSUM_COMPLETE表示硬件进行了计算，计算结果存储在skb->csum中。

skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE;

在很多芯片的实现上，校验和的计 算代码都是用汇编来实现了，这也是出于校验和计算的效率考虑。

最后，简单分析下校验和计算的两个核心函数 。
do_csum() 校验和累加

校验和计算的主体部分是32bit为单位计算的，并假设buff起始地 址是对齐过的，长度也是对齐过的。因此，传入的buff要进行处理以满足假设。

（编辑：常州站长网）

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