Checksum

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        
   0110 0100

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 <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <endian.h>
 
#include <arpa/inet.h>
 
/**
 * @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
 */
uint16_t cksum(unsigned char *data, int len)
{
    unsigned int sum = 0;
    uint16_t cksum = 0;
    uint16_t tval = 0;
 
    /* 每两个字节进行累加 */
    while (len > 1) {
        sum += (*((uint16_t *)data));
        len -= sizeof(uint16_t);
        data += sizeof(uint16_t);
    }
 
    if (len > 0) { /* 每两个字节分组后剩余 1 byte */
        *((unsigned char *)&tval) = *data;
        sum += tval;
        /* 两种方式均可 */
// #if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
//         sum += *data;
// #else
//         sum += ((*data << 8) & 0xff00);
// #endif
    }
 
    /* 把溢出位累加到sum */
    while(sum >> 16) {
        sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
    }
 
    cksum = sum & 0xffff;
 
    return (~cksum);
}
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    uint16_t csum = 0;
    char *str = "hello world";
    unsigned char data[] = { //hello world
        0x68,0x65,
        0x6C,0x6C,
        0x6F,0x20,
        0x77,0x6F,
        0x72,0x6C,
        0x64
    };
 
    csum = cksum(str, strlen(str));
    printf("cksum=0x%x net byte order cksum = 0x%x\n", csum, htons(csum));
    csum = cksum(data, sizeof(data));
    printf("cksum=0x%x net byte order cksum = 0x%x\n", csum, htons(csum));
 
    return 0;
}

run

小端机上编译运行：
❯ ./a.out 
cksum=0x316e net byte order cksum = 0x6e31
cksum=0x316e net byte order cksum = 0x6e31
大端机上编译运行：
# ./endian 
cksum=0x6e31 net byte order cksum = 0x6e31
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

​ ~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

​ 即：₍checksum + checksum) = 0

图示理解：