[网络协议]Linux网络 IP/TCP校验和、checksum、伪首部相关问题

1、校验和作用

校验和是为防止报文在信道传输出现误码导致报文错误，或者传输过程中间网络设备错误造成报文错误等，并不保证报文被他人恶意篡改。防君子不防小人，而已修改报文内容重新计算校验和是无法检测的。

2、校验内容

网络报文校验和包括3层校验和4层校验，
3层校验：仅校验3层头（网络层ip头，ipv6协议中没有三层校验和，仅指ipv4）；
csum(ip头)

4层校验：需要校验 伪头部+4层头+4层负载（应用层负载）。
csum(ip头)+csum(ip负载)=csum(ip头+ip负载)

3、计算方式

校验和的计算方法是统一的，即所有2字节数据的二进制反码求和。内核实现是以四字节求和取反得到校验和。

发送方填充校验和：
将校验和的2byte置0，计算校验和，将计算结果填充到校验和位置。

接收方验证校验和：
验证时按照同样的计算方式，如果计算结果为0则表示校验和正确，否则表示报错已出错。

几个关键点：
1、先取反再求和与先求和再取反结果一致；为了效率内核使用先求和再取反方式计算；
2、按16bit与32bit结果一致；内核使用32bit以减少运算次数；
3、计算过程中二进制溢出进位时，将进位加到低位，循环计算，直到高位为0；
//详细过程可阅读内核源码。反码求和逻辑比较复杂，自行研究。

4、伪首部相关问题

伪首部并非TCP&UDP数据报中实际的有效成分。伪首部是一个虚拟的数据结构，其中的信息是从数据报所在IP分组头的分组头中提取的，既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为计算校验和。这样的校验和，既校验了TCP&UDP用户数据的源端口号和目的端口号以及TCP&UDP用户数据报的数据部分，又检验了IP数据报的源IP地址和目的地址。伪报头保证TCP&UDP数据单元到达正确的目的地址。

Q：已经有了ip头校验，为什么还需要在tcp层再次校验ip相关信息？
A：网络报文传输需要进过很多中间网络设备，一般为路由器，rt会操作修改ip头信息（ttl等内容），然后重新计算ip校验和。比如，如果传输过程中由于软硬件异常导致ip头的目的地址错误将报文发送到了非正确的目的地，接收方检查ip头时未发现异常，此时上送到tcp层处理时，如果不检查ip头相关信息就无法检测出此报文是错误的。

Q：伪首部可以直接使用整个ip头吗？
A：不合理，ip头的部分自带经过路由器时会修改变化的，如果使用完整的ip头，中间设备每次都要重新计算tcp层校验和。并且完整的头也增加了计算量。

5、linux内核校验和

计算校验和需要遍历每个字节，对性能影响还是很大的，所以linux对校验和的计算做了很多优化处理
1、按需分多部计算，采用先求和最后取反的计算方式，可以将计算过程分多个步骤，包括报文分片时可以每片单独计算sum，最后再同一相加区分。
2、借助硬件加速，将校验和计算工作留给网卡硬件处理（接收发送都可以），但需要硬件支持此特性。

skb->ip_summed表明L3和L4的计算结果，区分接收和发送：

1、接收过程

skb->csum可能包含L4一部分校验和；
skb->ip_summed字段代表：设备驱动告诉L4软件当前校验和的状态，各取值含义如下：

(1) CHECKSUM_NONE：
skb->csum中的校验和无效，可能是硬件没有提供校验和（硬件不支持、未开启此功能等），此时将ip_summed设为CHECKSUM_NONE，让L4软件层重新校验；

(2) CHECKSUM_COMPLETE：
硬件已经校验了L4报头和其payload部分，并且校验和保存在了skb->csum中，L4软件只需要再计算伪报头然后检查校验结果即可。硬件计算稍复杂的伪头部比较好性能，因为伪头部需要提取ip头的信息。
伪头部包含ip信息、报文长度信息等，需要解析提取一些字段，此类工作对硬件来说比较复杂， 所以伪首部仍然交由软件计算。

(3) CHECKSUM_UNNECESSARY：
硬件已经进行了完整的校验，无需软件再进行检查，L4收到数据包后如果检查ip_summed是这种情况，就可以跳过校验过程；

(4) CHECKSUM_PARTIAL:
虚拟化环境同宿主机不同vm通信时收包会有此种情况（如virtio网卡），此时认为数据虽然未校验，但认为可靠，不过tcp头的校验和字段是错误的。tcp协议栈检查校验和时此种情况不会检查。

 * CHECKSUM_PARTIAL:
 *
 *   A checksum is set up to be offloaded to a device as described in the
 *   output description for CHECKSUM_PARTIAL. This may occur on a packet
 *   received directly from another Linux OS, e.g., a virtualized Linux kernel
 *   on the same host, or it may be set in the input path in GRO or remote
 *   checksum offload. For the purposes of checksum verification, the checksum
 *   referred to by skb->csum_start + skb->csum_offset and any preceding
 *   checksums in the packet are considered verified. Any checksums in the
 *   packet that are after the checksum being offloaded are not considered to
 *   be verified.

2、发送过程

skb->ip_summed字段包含了L4软件告诉设备驱动程序当前校验和的状态，各取值含义如下：
(1) CHECKSUM_NONE：L4软件已经进行了校验，硬件无需做任何事情；

(2) CHECKSUM_PARTIAL：L4软件计算了伪报头，并且将值保存在了tcp/udp首部的check字段中，硬件需要计算其余部分的校验和。硬件适合做简单的++操作，伪头部稍复杂交给cpu。
(对应网卡驱动程序会设置描述符相应字段，硬件来处理)

参考：
https://blog.csdn.net/qy532846454/article/details/7010852
https://blog.csdn.net/weixin_39631017/article/details/111845098
https://blog.csdn.net/zhangwenxinzck/article/details/107574202
https://blog.csdn.net/weixin_29159127/article/details/116691805