今天复习计网的时候看到了UDP头部有差错校验，其中的checksum算法没理的太清楚，索性写一篇博客，顺便回顾一下其他的。

校验和覆盖的内容：

IP校验和：IP首部。
ICMP校验和：ICMP首部+ICMP数据；
UDP、TCP校验和：首部+数据+12个字节伪首部(源IP地址、目的IP地址、协议、TCP/UDP包长)。

计算校验和的步骤：

[1]把校验和字段设置为0。
[2]把需要校验的数据看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和。
[3]把得到的结果存入校验和字段中。
另外UDP、TCP数据报的长度可以为奇数字节，因为计算时是16位为单位，所以此时计算校验和时需要在最后增加一个填充字节0(只是计算校验和用，不发送出去)。

接收端校验校验和步骤：

把需要校验的内容(包括校验和字段)看成以16位为单位的数字，依次进行二进制反码求和，如果结果是0表示正确，否则表示错误。

二进制反码求和步骤：

[1]二进制反码求和，就是先把这两个数取反，然后求和，如果最高位有进位，则向低位进1。

[2]另外，先取反后相加与先相加后取反，得到的结果是一样的。因此实现代码都是先相加，最后再取反。

下面我们来写个栗子

以4bit（计算方便一点，和16bit是一样的）做检验和来验证。

假设原始数据为 1100 1010 ｜ 0000（校验位）（初始化为0000）
那么把他们按照4bit一组进行按位取反相加。 1100 取反0011 ， 1010 取反是0101，校验位的计算就是 0011加上0101 是1000，填入到校验位上
于是发送的数据就是
1100 1010 | 1000
收到数据后同样进行按位取反相加。0011+0101+0111 =1111；全为1表示正确 。 等于是 自己加上自己的取反， 那么 结果肯定应该是全1 。如果传输正确的话。

更多思考

至于我一直百思不解的 那个数据报里面那么多数据加起来肯定是每个位都是1这个问题
我们来考虑一种极端情况：
0000 0000
它的校验和是1111
如果最高位需要进位 那么补到最低位上（回卷）
发送过去的 0000 0000 1111 加起来就是1111
当然 如果后面再加个不是0000 比如1010
1010按位取反是0101
加上去那么校验和是0101
发送过去的数据是0000 0000 1010 | 0101
加起来的和还是1111
感觉checksum这个算法设计的太妙了

在实际使用过程中 先把需要校验的数据加起来 然后取反码，这样的效果是一样的，而且还减少了计算量

NOTE：
这里是按位取反 不是反码

原码 反码 补码

在学习原码, 反码和补码之前, 需要先了解机器数和真值的概念.

机器数和真值

机器数

一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符号的，在计算机用一个数的最高位存放符号, 正数为0, 负数为1.

比如，十进制中的数 +3 ，计算机字长为8位，转换成二进制就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。

那么，这里的 00000011 和 10000011 就是机器数。

真值

因为第一位是符号位，所以机器数的形式值就不等于真正的数值。例如上面的有符号数 10000011，其最高位1代表负，其真正数值是 -3 而不是形式值131（10000011转换成十进制等于131）。所以，为区别起见，将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。

例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

原码, 反码, 补码的基础概念和计算方法.

在探求为何机器要使用补码之前, 让我们先了解原码, 反码和补码的概念.对于一个数, 计算机要使用一定的编码方式进行存储. 原码, 反码, 补码是机器存储一个具体数字的编码方式.

原码

原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示值. 比如如果是8位二进制:

[+1]原 = 0000 0001

[-1]原 = 1000 0001

第一位是符号位. 因为第一位是符号位, 所以8位二进制数的取值范围就是:

[1111 1111 , 0111 1111]

即

[-127 , 127]

原码是人脑最容易理解和计算的表示方式.

反码

反码的表示方法是:

正数的反码是其本身

负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变，其余各个位取反.

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

可见如果一个反码表示的是负数, 人脑无法直观的看出来它的数值. 通常要将其转换成原码再计算.

补码

补码的表示方法是:

正数的补码就是其本身

负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

对于负数, 补码表示方式也是人脑无法直观看出其数值的. 通常也需要转换成原码在计算其数值.

为何要使用原码, 反码和补码

在开始深入学习前, 我的学习建议是先"死记硬背"上面的原码, 反码和补码的表示方式以及计算方法.

现在我们知道了计算机可以有三种编码方式表示一个数. 对于正数因为三种编码方式的结果都相同:

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

所以不需要过多解释. 但是对于负数:

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

可见原码, 反码和补码是完全不同的. 既然原码才是被人脑直接识别并用于计算表示方式, 为何还会有反码和补码呢?

首先, 因为人脑可以知道第一位是符号位, 在计算的时候我们会根据符号位, 选择对真值区域的加减. (真值的概念在本文最开头). 但是对于计算机, 加减乘数已经是最基础的运算, 要设计的尽量简单. 计算机辨别"符号位"显然会让计算机的基础电路设计变得十分复杂! 于是人们想出了将符号位也参与运算的方法. 我们知道, 根据运算法则减去一个正数等于加上一个负数, 即: 1-1 = 1 + (-1) = 0 , 所以机器可以只有加法而没有减法, 这样计算机运算的设计就更简单了.

于是人们开始探索 将符号位参与运算, 并且只保留加法的方法. 首先来看原码:

计算十进制的表达式: 1-1=0

1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2

如果用原码表示, 让符号位也参与计算, 显然对于减法来说, 结果是不正确的.这也就是为何计算机内部不使用原码表示一个数.

为了解决原码做减法的问题, 出现了反码:

计算十进制的表达式: 1-1=0

1 - 1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原= [0000 0001]反 + [1111 1110]反 = [1111 1111]反 = [1000 0000]原 = -0

发现用反码计算减法, 结果的真值部分是正确的. 而唯一的问题其实就出现在"0"这个特殊的数值上. 虽然人们理解上+0和-0是一样的, 但是0带符号是没有任何意义的. 而且会有[0000 0000]原和[1000 0000]原两个编码表示0.

于是补码的出现, 解决了0的符号以及两个编码的问题:

1-1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原 = [0000 0001]补 + [1111 1111]补 = [0000 0000]补=[0000 0000]原

这样0用[0000 0000]表示, 而以前出现问题的-0则不存在了.而且可以用[1000 0000]表示-128:

(-1) + (-127) = [1000 0001]原 + [1111 1111]原 = [1111 1111]补 + [1000 0001]补 = [1000 0000]补

-1-127的结果应该是-128, 在用补码运算的结果中, [1000 0000]补 就是-128. 但是注意因为实际上是使用以前的-0的补码来表示-128, 所以-128并没有原码和反码表示.(对-128的补码表示[1000 0000]补算出来的原码是[0000 0000]原, 这是不正确的)

使用补码, 不仅仅修复了0的符号以及存在两个编码的问题, 而且还能够多表示一个最低数. 这就是为什么8位二进制, 使用原码或反码表示的范围为[-127, +127], 而使用补码表示的范围为[-128, 127].

因为机器使用补码, 所以对于编程中常用到的32位int类型, 可以表示范围是: [-231, 231-1] 因为第一位表示的是符号位.而使用补码表示时又可以多保存一个最小值.

原码, 反码, 补码 再深入

计算机巧妙地把符号位参与运算, 并且将减法变成了加法, 背后蕴含了怎样的数学原理呢?

将钟表想象成是一个1位的12进制数. 如果当前时间是6点, 我希望将时间设置成4点, 需要怎么做呢?我们可以:

1. 往回拨2个小时: 6 - 2 = 4

2. 往前拨10个小时: (6 + 10) mod 12 = 4

3. 往前拨10+12=22个小时: (6+22) mod 12 =4

2,3方法中的mod是指取模操作, 16 mod 12 =4 即用16除以12后的余数是4.

所以钟表往回拨(减法)的结果可以用往前拨(加法)替代!

现在的焦点就落在了如何用一个正数, 来替代一个负数. 上面的例子我们能感觉出来一些端倪, 发现一些规律. 但是数学是严谨的. 不能靠感觉.

首先介绍一个数学中相关的概念: 同余

同余的概念
两个整数a，b，若它们除以整数m所得的余数相等，则称a，b对于模m同余

记作 a ≡ b (mod m)

读作 a 与 b 关于模 m 同余。

举例说明:

4 mod 12 = 4

16 mod 12 = 4

28 mod 12 = 4

所以4, 16, 28关于模 12 同余.

负数取模
正数进行mod运算是很简单的. 但是负数呢?

下面是关于mod运算的数学定义:

clip_image001

上面是截图, "取下界"符号找不到如何输入(word中粘贴过来后乱码). 下面是使用"L"和"J"替换上图的"取下界"符号:

x mod y = x - y L x / y J

上面公式的意思是:

x mod y等于 x 减去 y 乘上 x与y的商的下界.

以 -3 mod 2 举例:

-3 mod 2

= -3 - 2xL -3/2 J

= -3 - 2xL-1.5J

= -3 - 2x(-2)

= -3 + 4 = 1

所以:

(-2) mod 12 = 12-2=10

(-4) mod 12 = 12-4 = 8

(-5) mod 12 = 12 - 5 = 7

引用

本文引用了以下文章的部分内容
https://blog.csdn.net/zl10086111/article/details/80907428
https://www.cnblogs.com/ne-liqian/p/9804214.html
https://www.cnblogs.com/seasonal/p/10343642.html

异或校验和

即BCC校验
异或校验和算法：

#include "stdio.h"
void main()
{
int i;
//任意10个数值，也可以不是8位
unsigned char data[10]={0x12,0x21,0x1A,0xB1,0xC1,0xEB,0xDF,0xCA,0xF6,0xDD};
unsigned char out;//用于保存异或结果
out=0x00;
for (i=0;i<sizeof(data);i++)
{
out^=data[i];
}
printf("原来的校验值：%X\n",out);

out^=(data[0]^0xee);//将data[0]改为新数据后计算新校验和的方法
out^=(data[5]^0x20);//将data[5]改为新数据后计算新校验和的方法
printf("修改后校验值：%X\n",out);

data[0]=0xee; //采用原始的方法计算新的校验和，和前面的校验和对比是否正确
data[5]=0x20; //采用原始的方法计算新的校验和，和前面的校验和对比是否正确
out=0x00;
for (i=0;i<10;i++)
{
out^=data[i];
}
printf("原始方法得出校验值：%X\n",out);
}

我是用我手机里的C语言编译器验证的

运行结果如下：

关于反码求和这个事情，IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的  校验和算法都是相同的。

为了求网络协议的校验和，需要把报文的二进制按word，也就是2个字节分割，校验和字段填0，尾部为奇数字节则添加一个字节0. 二字节求和后取反。

其实这个事情概念上有点误导，让大家以为是所有2个字节都取反码，然后求和，最后再取反放到校验和字段。当然这样就很绕了。

那以此求和取反，当收到报文重新按2字节二进制求和时，因为最终加了取反的校验和，所以最终结果会是binary全1，即0xFFFF。

当然了，比如UDP算校验和时，还需要加个12字节伪首部，但不影响计算过程。

到这里，再讲下计算机原码，反码，补码的问题。

对正数来说，他们三个都是一样对。所以反码在这里看到了点曙光啊。反码不是取反。

对负数来说，除符号位外，其他取反则是其反码。【1】

对负数来说，补码即其反码+1，原码即符号位为1，其他位为正数表示。

好了，那负数的原码/补码，反码有什么用处呢？

其实计算机里面，正数就是他自己来表示，负数就是补码表示。

why？

我们来看下负数的补码：比如-7，即对正数7 binary表示：0，0111 【取反+1】，即：1，1001.

那么【取反+1】是什么？【取反+1】即是通过正数求补码的一个操作。

可以看到0，0111 + 1，1001 = 0，0000

对1，0111（-7）这个原码来说，取反码+1也是其补码：1，1001. 即【1】所述。

所以，反码只是用于负数原码求补码的一个过渡，没有什么实际意义。也可以直接通过正数【取反+1】得到。