IPv4 首部检验和的计算与原理解析

IPv4（Internet Protocol Version 4）是目前最常用的网络协议之一，IPv4 协议定义了一种 检验和（Checksum） 机制，用于检测数据是否在传输中发生了错误。

IPv4 首部检验和是一种 错误检测 技术，专门用于检测IP数据报头部（即IPv4数据包的头部）的完整性。它能够检查在传输过程中，头部数据是否由于硬件故障或网络噪声等原因出现了损坏。

IPv4首部的结构

在深入讨论检验和的计算之前，首先需要了解一下IPv4数据包的头部结构。IPv4头部是每个IPv4数据包的起始部分，包含了许多关键信息，如版本号、源地址、目的地址、协议类型等。

一个典型的IPv4头部结构如下：

0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
| Version| IHL    | Type of Service |
+--------+--------+--------+--------+
| Total Length               |
+----------------------------+
| Identification              |
+----------------------------+
| Flags  | Fragment Offset     |
+--------+--------------------+
| Time to Live | Protocol | Header Checksum |
+--------------+----------+-----------------+
| Source Address                   |
+----------------------------------+
| Destination Address              |
+----------------------------------+
| Options and Padding (可选)       |
+----------------------------------+

Header Checksum 字段位于IPv4头部的第11和第12个字节，大小为16位（2字节）。该字段用于存储检验和的值，它在数据包的传输过程中可以被计算和验证。其他字段如源地址、目的地址、协议类型等信息，则不参与检验和的计算。

检验和计算的步骤

IPv4首部的检验和计算采用的是 反码求和（One’s Complement Sum） 方法。下面是计算检验和的详细步骤：

1. 构建IPv4头部

首先，构建一个完整的IPv4头部。需要注意的是，在计算检验和时，Header Checksum 字段的值应该设置为0，因为检验和的计算需要依赖于这个字段的值。

2. 将头部分割成16位块

IPv4头部数据通常是32位（4字节）的倍数。因此，我们将IPv4头部按16位（2字节）为一个单位进行分割。假设IPv4头部的长度是20字节（即标准的IPv4头部长度），那么我们会将这20字节分成10个16位的块。

3. 对所有16位块进行求和

接下来，将所有16位的块进行加法运算。需要注意的是，在加法过程中，如果发生溢出（即结果超过16位），则要将溢出部分加到和中。例如，如果两数相加的结果为18位，那么超出的部分会加到结果的低16位中。

4. 反码求和

加法完成后，得到的结果需要进行 反码求和。这意味着将和的每一位进行反转——0变成1，1变成0。反码求和是为了保证计算结果的错误检测效果。

5. 填写检验和字段

最后，将反码求和得到的16位值填入IPv4头部的 Header Checksum 字段，完成检验和的计算。

一个简单的例子

假设我们有一个简单的IPv4头部，如下所示（以16进制表示）：

45 00 00 54 00 00 40 00 40 06 B1 E6 C0 A8 00 68 C0 A8 00 01

这个IPv4头部的大小为20字节（即标准IPv4头部的大小），我们将按照上面的步骤来计算它的检验和。

步骤1：将数据分割成16位块

45 00  -> 01000101 00000000
00 54  -> 00000000 01010100
00 00  -> 00000000 00000000
40 00  -> 01000000 00000000
40 06  -> 01000000 00000110
B1 E6  -> 10110001 11100110
C0 A8  -> 11000000 10101000
00 68  -> 00000000 01101000
C0 A8  -> 11000000 10101000
00 01  -> 00000000 00000001

步骤2：逐个块相加

我们将每个16位块进行加和（采用反码求和）：

01000101 00000000
+ 00000000 01010100
-------------------
= 01000101 01010100

01000101 01010100
+ 00000000 00000000
-------------------
= 01000101 01010100

...

如果发生溢出，就将溢出部分加到和中。

步骤3：反码求和

在求和完成后，我们对最终结果进行反码操作。

步骤4：填入检验和

将计算得到的16位反码结果填入 Header Checksum 字段。

检验和的校验过程

当接收方接收到IP数据包时，首先会计算数据包头部的检验和，校验接收到的数据包是否在传输过程中发生了损坏。接收方会将数据包头部的 Header Checksum 字段值和计算出的检验和进行对比。如果两者一致，说明数据包头部未发生错误；如果不一致，则表示头部数据出现了问题，数据包可能已损坏。

拓展知识

IPv4检验和只能检测头部数据的完整性，无法检测IP数据包中传输的数据是否发生了错误。有效负载的完整性通常由传输层协议（如TCP、UDP）来负责，因此 IPv4 并不对数据正确负责。检验和的主要目的是在传输过程中检测头部的损坏，对于路由设备（如路由器）来说是至关重要的，因此需要保证这些信息在传输中不被篡改。若出现错误则直接丢弃，认为这是一个损坏的包（也不会发送差错报文）。

IPv6（Internet Protocol Version 6）在设计上做出了许多优化和改进，其中之一就是取消了IPv6头部的检验和功能。这简化了 ipv6 的协议，数据安全完全由其他层协议提供错误检测。考虑到未来更高效的传输方式。随着网络环境和硬件设备的进步，网络设备的处理能力和带宽得到了显著提升，这样做是合理的。

总结

IPv4首部的检验和是网络协议中重要的错误检测工具，它能够帮助判断数据包的头部是否在传输中遭遇了损坏。通过上述反码求和的方法，IPv4确保了数据传输的基本可靠性。在实际应用中，尽管IPv4检验和能有效检测数据包头部的错误，但它并不涵盖数据部分的错误检测，后续的层协议（如TCP）会进一步处理数据部分的完整性。

希望这篇博客能帮助你更好地理解IPv4首部检验和的计算过程及其原理。如果你有任何问题，或者想了解更多网络协议的细节，欢迎随时留言！