UDP checksum（UDP校验和）

UDP校验和（UDP checksum）是一种用于检测传输中的UDP数据包在传输过程中是否发生错误的机制。UDP（用户数据报协议）是一种简单的无连接的传输层协议，它用于在网络中发送数据包，但不提供数据包的传输可靠性或顺序保证。

在UDP数据包中，校验和字段用于检测数据包在传输过程中是否发生了改变，比如由于网络噪声、硬件故障或其他原因导致的数据损坏。校验和的计算方法如下：

1. 将UDP头部和数据部分的所有16位字（2个字节）相加，如果数据长度不是偶数，会在末尾添加一个字节的填充（值为0）以确保是16位字。

2. 如果相加的过程中出现溢出（即超过16位），则将溢出的部分加到结果的低16位上。

3. 将最终的结果取反（按位取反）得到校验和。

在接收端，对整个UDP数据包（包括校验和字段）进行同样的计算，如果结果为全1（即0xFFFF），则认为数据包没有错误。如果计算结果不是全1，则表明数据包在传输过程中可能发生了错误，接收端通常会丢弃这个数据包。

值得注意的是，UDP校验和是可选的，在IPv4中可以将校验和字段设置为0来禁用校验和检查，但在IPv6中，UDP校验和是必须的。

让我们通过一个简单的例子来说明UDP校验和的计算方法。假设我们有一个简单的UDP数据包，它的头部和数据如下（以16位字表示）：

头部：
- 源端口号：1010（十六进制）
- 目的端口号：2020（十六进制）
- 长度：0014（十六进制，表示20字节，包括头部和数据）
- 校验和：0000（十六进制，暂时假设为0，稍后计算）

数据：
- 数据1：1234（十六进制）
- 数据2：5678（十六进制）
- 数据3：9ABC（十六进制）

校验和的计算过程如下：

1. 将所有16位字相加：

   • 1010 + 2020 + 0014 + 0000 + 1234 + 5678 + 9ABC = 133AC（十六进制）

2. 处理溢出：

   • 133AC（十六进制）= 1 + 33AC（十六进制）= 33AD（十六进制）

3. 取反：

   • 校验和 = ~33AD（十六进制）= CC52（十六进制）

因此，计算得到的UDP校验和为CC52（十六进制）。在实际的UDP数据包中，这个校验和值会被放在头部的校验和字段中。

在接收端，接收方会对包括校验和在内的整个数据包进行相同的计算。如果结果为全1（即FFFF十六进制），则认为数据包没有错误。如果结果不是全1，则表明数据包在传输过程中可能发生了错误，接收端通常会丢弃这个数据包。

如果接收端收到的数据包没有错误，那么我们可以使用与之前相同的数据，但这次我们将使用计算出的校验和CC52（十六进制）替换校验和字段：

头部：
- 源端口号：1010（十六进制）
- 目的端口号：2020（十六进制）
- 长度：0014（十六进制，表示20字节，包括头部和数据）
- 校验和：CC52（十六进制）

数据：
- 数据1：1234（十六进制）
- 数据2：5678（十六进制）
- 数据3：9ABC（十六进制）

接收端将对包括校验和在内的整个数据包进行相同的计算：

1. 将所有16位字相加：

   • 1010 + 2020 + 0014 + CC52 + 1234 + 5678 + 9ABC = 1FFFE（十六进制）

2. 处理溢出：

   • 1FFFE（十六进制）= 1 + FFFE（十六进制）= FFFF（十六进制）
     这一步叫做回卷加法，一直进行直到不产生溢出为止。

接收端计算的结果是全1（FFFF十六进制），这意味着数据包没有错误。因此，接收端可以接受这个数据包并继续处理数据。如果计算结果不是全1，则表明数据包在传输过程中可能发生了错误，接收端通常会丢弃这个数据包。

《计算机网络：自顶向下方法》的配套课件中，关于UDP校验和描述如上图所示。

这些PPT解释了UDP校验和的工作原理和它在错误检测方面的局限性。

第一张图展示了一个UDP校验和的简化例子。在传输过程中，发送方发送了两个数字：5和6，它们的和是11。然而，由于某种错误，接收方收到了数字4和6，其和仍然是11。接收方计算得到的校验和与发送方的不一致，因此它能够检测到错误。

第二张图讲述的是UDP校验和的目标，它是为了检测传输段中的错误（如位翻转）。发送方处理UDP段的内容（包括UDP头部和IP地址）作为16位整数数组，并对这些整数数组的内容进行加法运算得到校验和，然后将校验和的值放入UDP校验和字段中。接收方计算接收到的段的校验和，如果计算出的校验和与校验和字段中的值不相等，则检测到错误；如果相等，则认为没有检测到错误。但是，这种方法并不百分百可靠，稍后会有更多的解释。

第三张图提供了一个具体的计算例子，显示了两个16位整数相加的情况。当两个数字相加时，最高位的进位需要被回绕到结果中。在图中，两个数相加后产生了一个进位，这个进位被加回到了结果的最低位。然后，为了得到校验和，这个总和将会被取反。

第四张图揭示了UDP校验和机制的一个弱点。它展示了即使在两个数中有一位发生了变化（位翻转），这个变化可能不会影响最终的校验和。这是因为变化的两位相互抵消了。这个例子说明UDP校验和无法检测到所有的错误，尤其是当多个错误相互抵消时。这种情况显示了UDP校验和提供的错误检测保护是有限的。