如何计算IP或ICMP协议首部里的checksum字段

Posted 2023-04-04

参考技术A “

协议层的首部里都会有一个校验字段checksum，由发送端计算和存储，由接收端验证，用来保证报文在传输过程中的完整性

checksum的计算方法多样，而对于IP Header和ICMP Header中的checksum，采用相同的计算方法-加法校验和算法

”

计算校验和

IP Header中的checksum 只校验IP首部 ，不校验数据部分

ICMP Header中的checksum 校验ICMP首部和数据部分

反码求和法

“

反码求和法，是先求和，然后再取反

”

发送时

将校验和字段设置为0

每16个bit(即2个字节)组成一个数，相加

取反码，填入校验和字段

书上或网上都这样描述，大致是没错的，但是实际经不起推敲，有一些细节并没有关注到

比如不管是IP Header还是ICMP Header中的checksum都是16个bit，而这些数字相加有可能超过16个bit，怎么办？难道只是简单地把高位数字省略？

当然不是

IP首部的checksum只计算IP首部的数据20个字节，每两个字节组成一个数，这当然比较好分配

然而像ICMP首部中的checksum计算的是首部和数据部分，有可能有奇数个字节，每2个字节组成一个数，最后还会剩下一个字节，这最后一个字节是简单地相加吗？

当然也不是（尤其这个问题，让我搞了很久）

所以总结下计算方法

“

将校验和字段设置为0

每16个bit(即2个字节)组成一个数，相加，如果超过16个bit，把超过的高位值加到这16个bit值上，得到的新值再和下一个值相加

如果最后还剩8个bit值，不能简单的加到低位，要把这8个bit当成高位值，再用0填充一个16个bit值，相加

最后取反，填充到校验和字段

”

capl如何计算

word GetOrVerifyChecksumValue(byte data[], long length)



  int i = 0;

  dword temp = 0;

  word checksum = 0;

  while (i < length)

 

    if ((i+1) < length)

         

      temp = checksum + ((data[i]<<8) + data[i+1]);   

      checksum = (temp & 0xffff) + (temp >> 16);       

      i = i + 2;

   

    else

           

      temp = checksum  + (data[i] << 8);   

      checksum = (temp & 0xffff) + (temp >> 16);   

      i = i + 1;

       

 

  checksum = ~checksum; 

  return checksum;

 

注意：

“

(data[i]<<8)一定要加括号，不然会先计算后面的加号

”

验证校验和

验证校验和的方法也就简单明了了

把校验和值填入校验和字段

每16个bit组成一个数，相加，如果超过16个bit，把超过的加到低位，得到的新值再和下一个值相加

最后的结果为0，说明所有的值都是正确的

如果用capl函数表示，和上面的函数相同，只是计算时要把校验和字段设置为0，返回值是校验和，验证时要把校验和字段设置checksum值，返回值是0

了解这个有什么好处？

“

capl中提供了方法组装报文，校验和会自动计算出，不需要手动计算，但是，在应用层有可能有一些自定义协议，如果采用了这种算法，就需要自己手动计算了

”

tcp/ip--IP 协议首部格式与其配套使用的四个协议(ARP,RARP,ICMP,IGMP)

IP 数据报首部

最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit

版本:

占 4 位,指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)

首部长度:

占4位,可表示的最大数值是15个单位(一个单位为 4 字节)因此IP 的首部长度的最大值是 60 字节

区分服务:

占8位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过.1998 年这个字段改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用.一般的情况下都不使用这个字段

总长度:

占16位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535 字节.总长度必须不超过最大传送单元 MTU

标识:

占16位,它是一个计数器,用来产生数据报的标识

标志(flag):

占3位,目前只有前两位有意义

• MF

  • 标志字段的最低位是 MF (More Fragment)
  • MF=1 表示后面“还有分片”。MF=0 表示最后一个分片

• DF

  • 标志字段中间的一位是 DF (Don‘t Fragment)
  • 只有当 DF=0 时才允许分片

片偏移:

占12位,指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置.片偏移以 8 个字节为偏移单位

生存时间:

占8位,记为TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255

协议:

占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程, 1表示为 ICMP 协议, 2表示为 IGMP 协议, 6表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议

首部检验和:

占16位,只检验数据报的首部不检验数据部分.这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法

源地址和目的地址:

都各占 4 字节,分别记录源地址和目的地址

地址解析协议 ARP

说明:

ARP 每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache),里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表

作用:

通过IP地址得知其物理地址 

步骤:

注意:

• 网络上其他主机并不响应 ARP 询问,只有接收端主机接收到这个帧时,才向发送端主机做出这样的回应
• ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题.若所要找的主机和源主机不在同一个局域网上,那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址,然后把分组发送给这个路由器,让这个路由器把分组转发给下一个网络.剩下的工作就由下一个网络来做
• 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的,主机的用户对这种地址解析过程是不知道的.
• 主机或路由器要和本网络上另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信,ARP 协议会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址

四种典型情况:

• 发送方是主机,要把 IP 数据报发送到本网络上的另一个主机.这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址
• 发送方是主机要 IP 数据报发送到其他网络的主机.这时 ARP 找到本网络上某个路由器硬件地址.剩下工作由这个路由器完成
• 发送方是路由器,要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机.这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址
• 发送方是路由器,要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机.这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址.剩下的工作由这个路由器来完成

报头格式:

说明:

• 硬件类型字段表示硬件地址的类型.它的值为1即表示以太网地址
• 协议类型字段表示要映射的协议地址类型.它的值为 0x0800 即表示 IP 地址
• 硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度,以字节为单位.对于以太网上 IP 地址的 ARP 请求或应答来说,它们的值分别为 6 和 4
• 操作字段指出四种操作类型,它们是 ARP 请求(值为1)、ARP 应答(值为 2 )、RARP 请求(值为 3 )和 RARP 应答(值为 4 )
• 接下来的四个字段是发送端的硬件地址(在本例中是以太网地址)、发送端的协议地址( IP 地址)、目的端的硬件地址和目的端的协议地址.

 

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逆地址解析协议 RARP

定义:

逆地址解析协议 RARP 使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址

用途:

这种主机往往是无盘工作站.因此 RARP 协议目前已很少使用

RARP 与 RAP:

 

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网际控制报文协议 ICMP

目的:

为了提高 IP 数据报交付成功的机会

注意:

• 允许主机和路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告
• ICMP不是高层协议,而是IP层的协议
• ICMP报文作为IP层数据报的数据,加上数据报的首部,组成 IP 数据报发送出去
• ICMP报文的前4个字节是统一的格式,共有三个字段：即类型,代码和检验和.接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关

种类:

• ICMP 差错报告报文:
  • 终点不可达
  • 源点抑制(Source quench)
  • 时间超过
  • 参数问题
  • 改变路由（重定向）(Redirect)
• ICMP 询问报文:
  • 回送请求和回答报文
  • 时间戳请求和回答报文

报文格式:

ICMP地址掩码请求和应答报文

ICMP时间戳请求和应答报文

ICMP不可达报文

ICMP回显请求和回显应答报文格式

ICMP超时报文

ICMP重定向报文

ICMP路由器请求报文格式

ICMP路由器通告报文格式

ICMP 源站抑制差错报文格式

 ICMP 类型:

 

不应发送ICMP差错报告报文的情况:

• 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP 差错报告报文
• 多播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
• 特殊地址(如127.0.0.0 或 0.0.0.0)的数据报不发送 ICMP差错报告报文

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网际组管理协议IGMP

报文格式:

作用:

它是TCP/IP 协议族中负责IP 组播成员管理的协议,用来在IP 主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系

功能:

当一台主机加入到一个新的组时,它发送一个IGMP消息到组地址以宣告它的成员身份,多播路由器和交换机就可以从中学习到组的成员.利用从IGMP中获取到的信息,路由器和交换机在每个接口上维护一个多播组成员的列表

两个阶段:

• 加入:
  • 当主机加入新的多播组时,向多播组的多播地址发送IGMP 报文,声明自己要成为该组的成员.本地的多播路由器收到 IGMP 报文后,将组成员关系转发给因特网上的其他多播路由器
• 询问:
  • 周期性地探询本地局域网上的主机,以便知道这些主机是否还继续是组的成员
• 注意:
  • 因为组成员关系是动态的，因此本地多播路由器要只要对某个组有一个主机响应，那么多播路由器就认为这个组是活跃的
  • 但一个组在经过几次的探询后仍然没有一个主机响应，则不再将该组的成员关系转发给其他的多播路由器

数据包:

IGMP 使用 IP 数据报传递其报文（即 IGMP 报文加上 IP 首部构成 IP 数据报），但它也向 IP 提供服务

具体措施:

• 在主机和多播路由器之间的所有通信都是使用 IP 多播
• 多播路由器在探询组成员关系时，只需要对所有的组发送一个请求信息的询问报文，而不需要对每一个组发送一个询问报文。默认的询问速率是每 125 秒发送一次
• 当同一个网络上连接有几个多播路由器时，它们能够迅速和有效地选择其中的一个来探询主机的成员关系
• 在 IGMP 的询问报文中有一个数值 N，它指明一个最长响应时间（默认值为 10秒）。当收到询问时，主机在 0 到 N 之间随机选择发送响应所需经过的时延。对应于最小时延的响应最先发送
• 同一个组内的每一个主机都要监听响应，只要有本组的其他主机先发送了响应，自己就可以不再发送响应了