计算机网络二进制反码求和校验算法

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校验和算法

经常看计算机网络相关的书时，每次看到关于IP或者是UDP报头校验和时，都是一笑而过，以为相当简单的东西，不就是16bit数据的相加吗！最近在学习Ping命令的源待时，看到里面有关于校验和的算法。一头雾水，后来查找资料，看到校验和是16bit字的二进制反码和。总是觉得很奇怪，为什么会用反码和，而不是直接求和呢？或者是补码和呢？因为在计算机里面数据是以补码的形式存在啊！经过看书查资料，下面总结一些这个校验和算法具体是怎么实现的。

首先，IP、ICMP、UDP和TCP报文头都有检验和字段，大小都是16bit，算法基本上也是一样的。

在发送数据时，为了计算数据包的检验和。应该按如下步骤：

1、把校验和字段设置为0；

2、把需要校验的数据看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和；

3、把得到的结果存入校验和字段中

在接收数据时，计算数据包的检验和相对简单，按如下步骤：

1、把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和，包括校验和字段；

2、检查计算出的校验和的结果是否为0；

3、如果等于0，说明被整除，校验和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。

虽然说上面四种报文的校验和算法一样，但是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个字节的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)、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(填充字节只是为了计算校验和，可以不被传送)。

在UDO传输协议中，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？书上有一句话：“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”

那么校验和到底怎么计算了？

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，有益处则向高位进1(和一般的二进制法则一样),若最高位有进位，则向最低位进1.

首先这里的反反码好像和以前学的有符号反码不一样，这里不分正负数，直接每个为都取反。

上面加粗的那句话和我们平时的加法法则不一样，最高位有进位，则向最低位进1。确实有些疑惑，为什么要这样呢？自习分析一下，上面的这种操作，使得在发送加法进位溢出时，溢出值并不是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。

下面是两种二进制反码求和的运算：

原码加法运算：3(0011)+5(0101)=8(1000)

8(1000)+9(1001)=1(0001)

反码加法运算：3(1100)+5(1010)=8(0111)

8(0111)+9(0110)=2(1101)

从上面的例子中，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.

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。

2、校验和算法实现

代码如下：

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位转换为16位

While (cksum>>16)

Cksum = (cksum>>16) + (cksum & 0xffff);

Return (USHORT) (~cksum);

}

buffer是指向需要校验数据缓冲区的指针，size是需要检验数据的总长度(字节为单位)。

4-13行代码是对数据按16bit累加求和，由于最高位的进位需要加在最低位上，所以cksum必须是32位的unsigned long型，高16bit用于保存累加过程中的进位；另外代码10~13行是对size为奇数情况的处理。

14~16行代码的作用是将cksum高16bit的值加到低16bit上，即把累加中最高位的进位加到最低位上。这里使用了while循环，判断cksum高16bit是否非零，因为第16行代码执行的时候，还是可能向cksum的高16bit进位。

有些地方是通过下面两条代码实现的：

Cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);

Cksum += (cksum >> 16);

这里只进行了两次相加，即可保证相加后cksum的高16位为0，两种方式的效果是一样，事实上，上面的循环也最多执行两次！

17行代码即对16bit数据累加的结果取反，得到二进制反码求和的结果，然后函数返回该值。

3、为什么使用二进制反码求和呢？

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是补码呢？

在谷歌上找到一篇相关的文章：

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、不依赖系统是大端小端。即无论你是发送方计算机或者接收方检查校验和时，都不要调用htons或者ntohs，直接通过上面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同。

b、计算和验证校验和比较简单、快递。

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