Linux 内核IP和UDP检验和计算

IP checksum

a. 接收报文

struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);

if (unlikely(ip_fast_csum((u8 *)iph, iph->ihl)))

goto checksum_error;

b. 发送报文

ip_send_check(iph);

{

iph->check = 0；

iph->check = ip_fast_csum((unsigned char *)iph, iph->ihl);

}

· UDP checksum

a. 网卡设备属性

#define NETIF_F_IP_CSUM 2 /* 基于IPv4的L4层checksum. */

#define NETIF_F_NO_CSUM 4 /* 设备可靠不需要L4层checksum. loopack. */

#define NETIF_F_HW_CSUM 8 /* 基于所有协议的L4层checksum*/

#define NETIF_F_IPV6_CSUM 16 /* 基于IPv6的L4层checksum*/

通过ethtool可以查看网卡是否支持硬件checksum

ethtool -k eth0

Offload parameters for eth0:

Cannot get device rx csum settings: Operation not supported

Cannot get device udp large send offload settings: Operation not supported

rx-checksumming: off

tx-checksumming: on

scatter-gather: on

tcp segmentation offload: off

udp fragmentation offload: off

generic segmentation offload: off

tx-checksumming: on 表明支持发送hardware checksum。

b. linux UDP checksum数据结构

union {

__wsum csum;

struct {

__u16 csum_start;

__u16 csum_offset;

};

};

1） skb->csum和skb->ip_summed这两个域也是与4层校验相关的，这两个域的含义依赖于skb表示的是一个输入包还是一个输出包。

2） 当网卡设备能提供硬件checksum并且作为输出包的时候，表示为skb-> csum_start和skb->
csum_offset

csum_start: Offset from skb->head where checksumming should start

csum_offset: Offset from csum_start where checksum should be stored

当数据包是一个输入包时

skb->ip_summed表示的是四层校验的状态，下面的几个宏定义表示了设备驱动传递给4层的一些信息。

#define CHECKSUM_NONE 0

#define CHECKSUM_UNNECESSARY 1

#define CHECKSUM_COMPLETE 2

skb->csum:存放硬件或者软件计算的payload的checksum不包括伪头，但是是否有意义由skb->ip_summed的值决定。

CHECKSUM_NONE表示csum域中的校验值是无意义的，需要L4层自己校验payload和伪头。有可能是硬件检验出错或者硬件没有校验功能，协议栈软件更改如pskb_trim_rcsum函数。

CHECKSUM_UNNECESSARY表示网卡或者协议栈已经计算和验证了L4层的头和校验值。也就是计算了tcp udp的伪头。还有一种情况就是回环，因为在回环中错误发生的概率太低了，因此就不需要计算校验来节省cpu事件。

CHECKSUM_COMPLETE表示网卡已经计算了L4层payload的校验，并且csum已经被赋值，此时L4层的接收者只需要加伪头并验证校验结果。

1） 在L4层发现如果udp->check位段被设为0，那么skb->ip_summed直接设为CHECKSUM_UNNECESSARY，放行该报文。

2) 如果skb->ip_summed为CHECKSUM_COMPLETE，则把skb->csum加上伪头进行校验，成功则将skb->ip_summed设为CHECKSUM_UNNECESSARY， 放行该数据包。

3) 通过上述后skb->ip_summed还不是CHECKSUM_UNNECESSARY，那么重新计算伪头赋给skb->csum。

4) 将还不是CHECKSUM_UNNECESSARY的数据报文的payload加上skb->csum进行checksum计算，成功将设为CHECKSUM_UNNECESSARY并放行，失败则丢弃。

udp4_csum_init(skb, uh, proto)

{

const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);

if (uh->check == 0) {

skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;

} else if (skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE) {

if (!csum_tcpudp_magic(iph->saddr, iph->daddr, skb->len,

proto, skb->csum))

skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;

}

if (!skb_csum_unnecessary(skb))

skb->csum = csum_tcpudp_nofold(iph->saddr, iph->daddr,

skb->len, proto, 0);

}

if (udp_lib_checksum_complete(skb))

goto csum_error;

static inline int udp_lib_checksum_complete(struct sk_buff *skb)

{

return !skb_csum_unnecessary(skb) &&

{

sum = csum_fold(skb_checksum(skb, 0, len, skb->csum));

if (likely(!sum)) {

if (unlikely(skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE))

netdev_rx_csum_fault(skb->dev);

skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;

}

return sum;

}

}

当数据包是输出包时

skb->csum表示为csum_start和csum_offset，它表示硬件网卡存放将要计算的校验值的地址，和最后填充的便宜。这个域在输出包时使用，只在校验值在硬件计算的情况下才对于网卡真正有意义。硬件checksum功能只能用于非分片报文。

而此时ip_summed可以被设置的值有下面两种：

#define CHECKSUM_NONE 0

#define CHECKSUM_PARTIAL 3

CHECKSUM_NONE 表示协议栈计算好了校验值，设备不需要做任何事。CHECKSUM_PARTIAL表示协议栈算好了伪头需要硬件计算payload checksum。

1）对于UDP socket开启了UDP_CSUM_NOXMIT /* UDP csum disabled */

uh->check = 0；

skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;

2）软件udp checksum

struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);

struct udphdr *uh = udp_hdr(skb);

uh->check = 0;

skb->csum = csum_partial(skb_transport_header (skb), skb->len, 0);//skb->data指向传输层头

uh->check = csum_tcpudp_magic(iph->saddr, iph->daddr, skb->len, iph->protocol, skb->csum);

skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;

//Todo: scatter and gather

3) 硬件checksum: 只能是ip报文长度小于mtu的数据报(没有分片的报文)。

CHECKSUM_PARTIAL表示使用硬件checksum ，L4层的伪头的校验已经完毕，并且已经加入uh->check字段中，此时只需要设备计算整个头4层头的校验值。

（对于支持scatter and gather的报文必须要传输层头在线性空间才能使用硬件checksum功能）

uh->check = ~csum_tcpudp_magic(iph->saddr, iph->daddr, skb->len, IPPROTO_UDP, 0);

skb->csum_start = skb_transport_header (skb) - skb->head;

skb->csum_offset = offsetof(struct udphdr, check);

skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;

d

最后在dev_queue_xmit发送的时候发现设备不支持硬件checksum就会进行软件计算

int dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,

struct netdev_queue *txq)

{

/* If packet is not checksummed and device does not

* support checksumming for this protocol, complete

* checksumming here.

*/

if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) {

skb_set_transport_header(skb,

skb_checksum_start_offset(skb));

if (!(features & NETIF_F_ALL_CSUM) &&

skb_checksum_help(skb))

goto out_kfree_skb;

}

}