網絡協議校驗和計算：IP、UDP、TCP 偽首部算法與 C 實現

IPv4 協議族中，IP、UDP、TCP 均使用16 位反碼求和校驗和。IP 僅覆蓋首部；UDP/TCP 除覆蓋自身首部與負載外，還必須包含偽首部以驗證源/目的地址與協議類型。本文詳述算法規則、偽首部結構、邊界處理及高性能 C 實現。

校驗和算法核心

1. 將數據視為16 位字（大端/網絡序）序列，長度為奇數時最後一字節補 0 擴展為 16 位。
2. 所有 16 位字進行反碼求和：相加產生的進位（carry）回滾加到低 16 位（sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF)），直到無進位。
3. 最終結果取反碼（~sum），作為校驗和字段值。
4. 發送前校驗和字段置 0；接收端計算包含校驗和字段的總和，結果應為 0xFFFF（全 1）。

偽首部結構

struct pseudo_header {
    uint32_t saddr;      // 源 IP (網絡序)
    uint32_t daddr;      // 目的 IP (網絡序)
    uint8_t  zero;       // 必須為 0
    uint8_t  protocol;   // IPPROTO_TCP(6) / IPPROTO_UDP(17)
    uint16_t length;     // TCP/UDP 段長度 (含首部+數據，網絡序)
};
// 總計 12 字節

長度計算規則

• IP 校驗和：固定 20 字節（基本首部），選項另算。
• UDP 長度：sizeof(udphdr) + 數據長度 = 8 + 數據長度。
• TCP 長度：IP 總長度 - IP 首部長度（含選項）。TCP 首部 20~60 字節。

高性能 C 實現

#include <stdint.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <net/ethernet.h>

// 通用反碼求和：輸入初始 sum 可累加多段
static inline uint16_t in_cksum(const uint16_t* buf, int len, uint32_t sum) {
    int n = len;
    while (n > 1) {
        sum += *buf++;
        n -= 2;
    }
    if (n == 1)                    // 奇數字節：最後一字節作高位，低位補 0
        sum += *(const uint8_t*)buf << 8;

    // 折疊進位
    while (sum >> 16)
        sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16);

    return (uint16_t)~sum;
}

// 計算緩衝區 16 位字和（不折疊進位，供累加用）
static inline uint32_t calc_sum(const uint16_t* buf, int len) {
    uint32_t sum = 0;
    while (len > 1) {
        sum += *buf++;
        len -= 2;
    }
    if (len == 1) sum += *(const uint8_t*)buf << 8;
    return sum;
}

// IP 校驗和
static inline void calc_ip_cksum(struct iphdr* ip) {
    ip->check = 0;
    ip->check = in_cksum((const uint16_t*)ip, 20, 0);
}

// UDP/TCP 校驗和（含偽首部）
static inline uint16_t calc_udp_tcp_cksum(const uint16_t* seg, struct iphdr* ip) {
    int seg_len = ntohs(ip->tot_len) - (ip->ihl * 4); // IP 負載長度 = TCP/UDP 段長

    struct pseudo_header ph = {0};
    ph.saddr = ip->saddr;
    ph.daddr = ip->daddr;
    ph.protocol = ip->protocol;
    ph.length = htons(seg_len);

    uint32_t sum = calc_sum((const uint16_t*)&ph, sizeof(ph)); // 偽首部求和
    return in_cksum(seg, seg_len, sum);                        // 累加段數據並折疊取反
}

// 完整處理流程示例
int process_packet(char* pkt) {
    struct ethhdr* eth = (struct ethhdr*)pkt;
    struct iphdr* ip = (struct iphdr*)(pkt + sizeof(struct ethhdr));

    calc_ip_cksum(ip);

    const uint16_t* l4 = (const uint16_t*)((char*)ip + ip->ihl * 4);
    switch (ip->protocol) {
    case IPPROTO_TCP:
        ((struct tcphdr*)l4)->check = 0;
        ((struct tcphdr*)l4)->check = calc_udp_tcp_cksum(l4, ip);
        break;
    case IPPROTO_UDP:
        ((struct udphdr*)l4)->check = 0;
        ((struct udphdr*)l4)->check = calc_udp_tcp_cksum(l4, ip);
        break;
    }
    return 0;
}

關鍵工程細節

1. 網絡序：偽首部字段、IP 首部字段、TCP/UDP 首部字段均為大端序。主機序機器需 htons/htonl 轉換。
2. 對齊訪問：uint16_t* 要求 2 字節對齊。若數據包未對齊，需用 memcpy 到對齊緩衝區或逐字節組裝 16 位字。
3. 零填充：奇數長度數據最後一字節視為高 8 位，低 8 位為 0（即 sum += last_byte << 8）。
4. 硬件加速：現代 NIC 支持校驗和卸載（TX/RX Checksum Offload），驅動程序需設置 skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL 等標誌，內核/硬件自動計算/驗證。
5. IPv6 差異：IPv6 無首部校驗和；UDP/TCP 偽首部擴展為 40 字節（128 位地址 + 32 位長度 + 8 位下一頭部 + 24 位保留）。

驗證測試

// 已知測試向量 (RFC 1071, RFC 1624)
// 數據: 0x0001 0x0203 0x0405 0x0607 0x0809 0x0A0B 0x0C0D 0x0E0F
// 16位字和: 0x0001+0x0203+...+0x0E0F = 0x03F0 (無進位)
// 校驗和: ~0x03F0 = 0xFC0F

總結

校驗和計算雖算法簡單，但偽首部構造、長度計算、字節序、對齊、奇數長度處理等工程細節極易出錯。建議封裝為庫函數並編寫充分單元測試（含邊界長度、跨 MTU 分片、IPv6 擴展）。高性能場景下利用 SIMD（SSE/AVX/NEON）並行求和、硬件卸載，可顯著降低 CPU 佔用。