Checksum

概念

检验和 (checksum)，在数据处理和数据通信领域中，用于 校验目的 的一组数据项的和，用来校验数据的完整性和准确性。

一般的 checksum 计算方法

1. 把要计算 checksum 的数据内容分成以每两个字节为一组的分组。如果最后剩余单个字节，补一个内容为 0 的字节。

   如数据：hello world

   String: hello world
           h         e         l         l         o        '空格'      w         o         r         l         d
   HEX:    68        65        6C        6C        6F        20        77        6F        72        6C        64
   BIN:    0110 1000 0110 0101 0110 1100 0110 1100 0110 1111 0010 0000 0111 0111 0110 1111 0111 0010 0110 1100 0110 0100
   

   分组：每16位一组

   h         e
   0110 1000 0110 0101
   l         l
   0110 1100 0110 1100
   o         '空格'
   0110 1111 0010 0000
   w         o
   0111 0111 0110 1111
   r         l
   0111 0010 0110 1100
   d         0          #补一个为 0 的字节
   0110 0100 0000 0000
   

2. 将所有分组（16bit）累加起来，累加过程中，如果结果溢出（超过16bit），将溢出的位作为新的分组累加上去

                     h         e
                     0110 1000 0110 0101
                     l         l
   +                 0110 1100 0110 1100 
   -------------------------------------
   =                 1101 0100 1101 0001
                     o         '空格'
   +                 0110 1111 0010 0000
   -------------------------------------
   =               1 0100 0011 1111 0001  #溢出
   
   #累加溢出位
                     0100 0011 1111 0001
   +                 0000 0000 0000 0001  #溢出数据
   -------------------------------------
   =                 0100 0011 1111 0010
                     w         o
   +                 0111 0111 0110 1111 
   -------------------------------------
   =                 1011 1011 0110 0001
                     r         l
   +                 0111 0010 0110 1100 
   -------------------------------------
   =               1 0010 1101 1100 1101  #溢出
   
   #累加溢出位
                     0010 1101 1100 1101
   +                 0000 0000 0000 0001  #溢出数据
   -------------------------------------
   =                 0010 1101 1100 1110
                     d         0
   +                 0110 0100 0000 0000  #补一个为0的字节
   -------------------------------------
   =                 1001 0001 1100 1110
   ~
   -------------------------------------
                     0110 1110 0011 0001  #取反后的值即为 checksum
   hex:              6E31
   

3. 将最终累加得到的16bit值按位取反，得到checksum的值

1001 0001 1100 1110
按位取反得到：0110 1110 0011 0001 ==> 6E31

C 语言实现

#include <stdio.h>
#include <string.h>

/**
 * 宿主机ubuntu18.04 x64是小端机器
 */
#define _LITTLE_ENDIAN_
//#define _BIG_ENDIAN_

#if defined(_LITTLE_ENDIAN_)
#define WORD_SWAP(v) ((unsigned short)(((v>>8)&0xff) | ((v<<8)&0xff00)))
#elif defined(_BIG_ENDIAN_)
#define WORD_SWAP(v) (v)
#endif


/**
 * @Name                 - 计算校验和
 * @Parameter *data      - 要计算校验和的数据，非空指针
 * @Parameter len        - 要计算校验和的数据长度
 */
unsigned short cksum(unsigned char *data, int len)
{
	unsigned int sum = 0;
	unsigned short cksum = 0;

	while (len > 1) {
		sum += (*((unsigned short *)data));
		len -= 2;
		data += 2;
	}

	if (len > 0) { /* 每两个字节分组后剩余 1 byte */
	#if defined(_LITTLE_ENDIAN_)
		sum += *data;
	#elif defined(_BIG_ENDIAN_)
		sum += ((*data << 8) & 0xff00);
	#endif
	}

	/* 把溢出位累加到sum */
	while(sum >> 16) {
		sum = (sum & 0xffff) | (sum >> 16);
	}

	cksum = (unsigned short)sum;

	return WORD_SWAP(~cksum);
}


int main(int argc, char *argv[])
{
	char *str = "hello world";
	unsigned char data[] = { //hello world
		0x68,0x65,
		0x6C,0x6C,
		0x6F,0x20,
		0x77,0x6F,
		0x72,0x6C,
		0x64
	};

	printf("net byte order cksum = 0x%x\n", cksum(str, strlen(str)));
	printf("net byte order cksum = 0x%x\n", cksum(data, sizeof(data)));

	return 0;
}

run

┌──(shelmean㉿ubuntu)-[~/cksum]
└─$ gcc cksum.c -o cksum
┌──(shelmean㉿ubuntu)-[~/cksum]
└─$ ./cksum
net byte order cksum = 0x6e31
net byte order cksum = 0x6e31

应用

如 UDP 数据报中的应用

1. 发送方在发送数据报之前，把 checksum 字段清空，然后计算整个报文的 checksum 值，把 checksum 值放入 checksum 字段
2. 接收方收到这个数据之后，使用同样的 checksum 算法，计算整个 checksum，如果数据发送没有出错，则 checksum 计算出来应该是 0

即：~(~checksumval + checksumval) = 0

​ ~checksumval是源数据中checksum字段清空后的所有数据的累加和

​ checksumval是checksum字段的值

​ 两部分累加后取反即是收到的数据的checksum

图示理解：

参考

【百度百科 校验和】
《Computer Networking A Top-Down Approach》