文章目录

数据结构
- sk_buff校验和字段
- net_device校验和字段
接收报文的校验和计算
- udp4_csum_init()
- udp_lib_checksum_complete()
- 小结
发送报文的校验和计算
- skb的封装: ip_generic_getfrag()
- udp_push_pending_frames()
- - udp4_hwcsum_outgoing()
  - udp_csum_outgoing()
- 小结

协议设计上，UDP的校验和功能是可选的，Linux实现时，UDP的校验和功能默认是开启的，不过应用程序可以通过选项SO_NO_CHECK设置该能力。

校验和的计算本身是协议自己的事情，和硬件无关，但是往往为了更加的高效，可能硬件提供了部分或者全部的校验和功能，这就导致代码实现中，校验和相关的逻辑显得有些复杂。这篇笔记分析了UDP的校验和实现细节。

关于校验和API的使用见笔记linux网络校验和计算API。

数据结构

在sk_buff和net_device两个结构中，为校验和的计算增加了特定的字段。

sk_buff校验和字段

#define CHECKSUM_NONE 0
#define CHECKSUM_UNNECESSARY 1
#define CHECKSUM_COMPLETE 2
#define CHECKSUM_PARTIAL 3struct 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，可取四个值，它们在发送和接收过程中表示的含义还有所不同。

接收过程中，ip_summed字段包含了网络设备硬件告诉L4软件当前校验和的状态，各值含义如下：

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，这时L4软件需要自己进行校验和计算；
CHECKSUM_UNNECESSARY：硬件已经进行了完整的校验，软件无需再进行检查。这时L4软件会跳过校验和检查；
CHECKSUM_COMPLETE：硬件已经计算了L4报头和其payload部分的校验和，并将计算结果保存在了skb->csum中，L4软件只需要再计算伪报头即可；

发送过程中，ip_summed字段记录了L4软件想要告诉网络设备硬件关于当前数据包的校验和状态信心。各值含义如下：

CHECKSUM_NONE：L4软件已经对数据包进行了完整的校验，或者该数据包不需要校验。总之这种情况下网络设备硬件无需做任何校验和计算；
CHECKSUM_PARTIAL：L4软件计算了伪报头的校验和，并且将值保存在了数据报的L4层首部的check字段中，网络设备硬件需要计算其余部分的校验和（报文首部+数据部分）。硬件需要计算的报文范围是从skb->csum_start到报文最后一个字节，计算结果需要填写到（skb->csum_start + skb->csum_offset）处。

net_device校验和字段

net_device的feature字段定义了如下和校验和相关的标记，这些标记表明了硬件计算校验和的能力。

feature	值	含义
NETIF_F_IP_CSUM	2	网络设备可以提供对基于IPv4的TCP和UDP数据包进行校验，其它协议报文不支持
NETIF_F_NO_CSUM	4	网络设备的传输非常可靠，无需L4执行任何校验，环回设备一般设置该标记
NETIF_F_HW_CSUM	8	网络设备可以对任何L4协议的数据包进行校验，基本很少有硬件能够实现
NETIF_F_IPV6_CSUM	16	网络设备可以对基于IPv6的TCP和UDP数据包进行校验，其它协议报文不支持

根据上述基础值重新定义了如下几个flag：

#define NETIF_F_GEN_CSUM (NETIF_F_NO_CSUM | NETIF_F_HW_CSUM)
#define NETIF_F_V4_CSUM     (NETIF_F_GEN_CSUM | NETIF_F_IP_CSUM)
#define NETIF_F_V6_CSUM     (NETIF_F_GEN_CSUM | NETIF_F_IPV6_CSUM)
#define NETIF_F_ALL_CSUM    (NETIF_F_V4_CSUM | NETIF_F_V6_CSUM)

注：这些概念和字段的含义同样适用于TCP校验和处理过程

接收报文的校验和计算

udp4_csum_init()

UDP接收到报文后，首先会调用该函数进行校验和检查。

/* Initialize UDP checksum. If exited with zero value (success),* CHECKSUM_UNNECESSARY means, that no more checks are required.* Otherwise, csum completion requires chacksumming packet body,* including udp header and folding it to skb->csum.*/
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);if (uh->check == 0) {// 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+skb->csum后返回新的校验和，返回0说明校验结果正确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发现仍然需要校验，则先只计算伪首部校验和，// 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底层已经对数据包进行了校验，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;
}

如上，如果硬件没有参与校验，在udp4_csum_init()中是只做了伪首部校验的，完整的校验工作在udp_lib_checksum_complete()中完成。

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0sum = csum_fold(skb_checksum(skb, 0, len, skb->csum));if (likely(!sum)) {// 为什么CHECKSUM_COMPLETE说明伪首部校验失败了，见udp4_csum_init()if (unlikely(skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE))netdev_rx_csum_fault(skb->dev);// 设置校验和状态为CHECKSUM_UNNECESSARYskb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;}return sum;
}

小结

接收过程中，重点在于检查数据报的校验结果是否为0，如果为0，则说明传输过程没有问题，否则为错误报文。

发送报文的校验和计算

首先，udp报文在通过ip_append_data()封装skb时，对skb中的校验和相关字段进行了初始化，相关代码如下：

int ip_append_data(xxx)
{...int csummode = CHECKSUM_NONE;
.../** transhdrlen > 0 means that this is the first fragment and we wish* it won't be fragmented in the future.*/// 1）第一个IP片段；2）本次封装数据长度小于MTU；3）硬件支持校验和能力；4）无扩展头；if (transhdrlen &&length + fragheaderlen <= mtu &&rt->u.dst.dev->features & NETIF_F_V4_CSUM &&!exthdrlen)csummode = CHECKSUM_PARTIAL;
...while (length > 0) {...if (copy <= 0) {// skb刚被分配后，设置初始值skb->ip_summed = csummode;skb->csum = 0;...// 数据被封装到skb后，重新对csummode赋值csummode = CHECKSUM_NONE;}}
...
}

上述逻辑的效果就是：只有第一个IP片段满足一定条件下时，其skb->ip_summed字段才有可能被设置为CHECKSUM_PARTIAL；其它IP片段的skb->ip_summed均为CHECKSUM_NONE。

skb的封装: ip_generic_getfrag()

在数据封装过程中，会根据skb->ip_summed的设置情况，计算计算校验和。

int ip_generic_getfrag(void *from, char *to, int offset, int len, int odd, struct sk_buff *skb)
{struct iovec *iov = from;if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) {// CHECKSUM_PARTIAL情况硬件会计算数据包除伪首部外部分的校验和，所以拷贝过程中无需计算校验和if (memcpy_fromiovecend(to, iov, offset, len) < 0)return -EFAULT;} else {// 硬件无法帮忙，在拷贝过程中，将数据内容的校验和结果计算出来并保存在skb->csum中__wsum csum = 0;if (csum_partial_copy_fromiovecend(to, iov, offset, len, &csum) < 0)return -EFAULT;skb->csum = csum_block_add(skb->csum, csum, odd);}return 0;
}

udp_push_pending_frames()

随后，udp在构造首部时，会根据skb->ip_summed的赋值情况计算校验和。

#define CSUM_MANGLED_0 ((__force __sum16)0xffff)static int udp_push_pending_frames(struct sock *sk)
{...__wsum csum = 0;...if (is_udplite) /* UDP-Lite */csum  = udplite_csum_outgoing(sk, skb);else if (sk->sk_no_check == UDP_CSUM_NOXMIT) {   /* UDP csum disabled */// UDP发送校验和被关闭了，重新设置skb->ip_summed，告诉硬件无需计算校验和skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;goto send;} else if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) { /* UDP hardware csum */// 硬件计算校验和，需要将skb->csum_start和skb->csum_offset设置正确udp4_hwcsum_outgoing(sk, skb, fl->fl4_src,fl->fl4_dst, up->len);goto send;} else /*   `normal' UDP    */// 正常情况下，UDP需要完成所有的校验和计算工作csum = udp_csum_outgoing(sk, skb);// 在csum的基础上累加伪首部校验和uh->check = csum_tcpudp_magic(fl->fl4_src, fl->fl4_dst, up->len,sk->sk_protocol, csum);// 最终的校验和结果为0时，会将校验和字段设置为全1if (uh->check == 0)uh->check = CSUM_MANGLED_0;
send:
...
}

udp4_hwcsum_outgoing()

当ip_append_data()在IP报文的第一个分段上设置skb->ip_summed==CHECKSUM_PARTIAL时，UDP会使用该函数为硬件执行校验和计算做准备。

/***     udp4_hwcsum_outgoing  -  handle outgoing HW checksumming*   @sk:   socket we are sending on*   @skb:  sk_buff containing the filled-in UDP header*            (checksum field must be zeroed out)*/
static void udp4_hwcsum_outgoing(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,__be32 src, __be32 dst, int len      )
{unsigned int offset;struct udphdr *uh = udp_hdr(skb);__wsum csum = 0;if (skb_queue_len(&sk->sk_write_queue) == 1) {// 对于不需要分段的UDP报文，计算伪报文，并且设置skb->csum_start和skb->csum_offset，// 可以看到，skb->csum_start是相对于skb->head指针的偏移/** Only one fragment on the socket.*/skb->csum_start = skb_transport_header(skb) - skb->head;skb->csum_offset = offsetof(struct udphdr, check);uh->check = ~csum_tcpudp_magic(src, dst, len, IPPROTO_UDP, 0); // 为何要取反?} else {/** HW-checksum won't work as there are two or more* fragments on the socket so that all csums of sk_buffs* should be together*/// 如果UDP报文需要分段，那么即使硬件有计算校验和的能力，这里也会用软件校验。// 遍历所有的IP分段，重新计算校验和（如果应用程序使用MSG_MORE发送数据，并且第一次// 写操作的数据量小于一个IP片段，就会出现这种情况）。offset = skb_transport_offset(skb);skb->csum = skb_checksum(skb, offset, skb->len - offset, 0);// 告诉硬件无需再计算校验和skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;skb_queue_walk(&sk->sk_write_queue, skb) {csum = csum_add(csum, skb->csum);}uh->check = csum_tcpudp_magic(src, dst, len, IPPROTO_UDP, csum);if (uh->check == 0)uh->check = CSUM_MANGLED_0;}
}

udp_csum_outgoing()

当UDP报文的所有内容的校验和都需要有软件来计算时，会使用该函数将除伪首部外的UDP报文部分校验和计算出来。

/***     udp_csum_outgoing  -  compute UDPv4/v6 checksum over fragments*     @sk:   socket we are writing to*   @skb:  sk_buff containing the filled-in UDP header*            (checksum field must be zeroed out)*/
static inline __wsum udp_csum_outgoing(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{// 计算UDP首部校验和__wsum csum = csum_partial(skb_transport_header(skb),sizeof(struct udphdr), 0);// 累加所有IP片段的数据部分校验和，这些片段的校验和在ip_append_data()封装skb过程中// 就已经被保存在了skb->csum中skb_queue_walk(&sk->sk_write_queue, skb) {csum = csum_add(csum, skb->csum);}return csum;
}

小结

从上面代码实现可以看出，发送流程中，UDP校验和的处理有如下几个关键点：

只有当UDP报文的数据可以用一个IP片段发送出去，而且硬件支持校验和计算时，UDP才会将校验和计算的任务交给硬件完成；
伪首部的校验和计算总是由软件自己完成的；

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