记录一次checksum校验失败导致丢包的问题

Bertha 。 2021-11-10 04:34 940阅读 0赞

开始之前先附上网络模型的图，此次问题的重点出在运输层、网络层、数据链路层。  
协议栈应用：lwip\_1.4.1  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW96aGl5dWFuMTEx_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
问题现象：在udp send数据包大小不超过MTU值时，数据包发送且接收方接收成功；当udp send数据包大小超过MTU值时，数据包用wireshark抓包发现发送成功，但是接收方未接收成功。

分析流程：  
1.查看了应用层的数据，确认无误，于是问题指向了udp自身包头一块。

2.在udp自身包头中确认MAC、IP地址、port等信息无误，然而又因为只会在协议栈IP层自动拆包后会出现接收方未接收成功的情况，于是问题又指向了IP层的TTL值与checksum值。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW96aGl5dWFuMTEx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
`在这里插入代码片`  
普通的 IP 头部长度为20 个字节，不包含IP 选项字段。  
版本号（Version）字段标明了IP 协议的版本号，目前的协议版本号为4。下一代IP 协议的版本号为6。  
报文长度指 IP 包头部长度，占4 位。  
8 位的服务类型（TOS，Type of Service）字段包括一个3 位的优先权字段（COS，Class of Service），4 位TOS 字段和1 位未用位。4 位TOS 分别代表最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。  
总长度（Total length）是整个IP 数据报长度，包括数据部分。  
标识符（Identification）字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1.  
生存时间（TTL，Time to Live）字段设置了数据包可以经过的路由器数目。一旦经过一个路由器，TTL 值就会减1，当该字段值为0 时，数据包将被丢弃。  
协议字段确定在数据包内传送的上层协议，和端口号类似，IP 协议用协议号区分上层协议。TCP 协议的协议号为6，UDP 协议的协议号为17。  
报头校验和（Head checksum）字段计算IP 头部的校验和，检查报文头部的完整性。源IP 地址和目的IP 地址字段标识数据包的源端设备和目的端设备。

3.手动计算wireshark中的checksum值，发现checksum值是正确的，计算方法在另外一篇博文中：  
https://blog.csdn.net/zhaozhiyuan111/article/details/97640966  
发现程式中的TTL默认为255（在lwip配置文件lwipopt.h中），修改为64，无进展，卡死。

4.上网查到wireshark可以自动校验checksum，默认不打开。  
设置方式：编辑----首选项----协议----udp----勾选Validata the UDP checksum if possible  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW96aGl5dWFuMTEx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
5.结果发现是在传输层中的checksum出错，并非是网络层的checksum出错。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW96aGl5dWFuMTEx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
6.在lwipopt.h中打开了传输层与网络层的checksum定义CHECKSUM\_GEN\_IP和CHECKSUM\_GEN\_UDP（意味着发送时采用软件计算checksum）：

//*****************************************************************************
    //
    // ---------- checksum options ----------
    //
    //*****************************************************************************
    //#define CHECKSUM_GEN_IP                    0
    #define CHECKSUM_GEN_ICMP              0
    //#define CHECKSUM_GEN_UDP                   0
    #define CHECKSUM_GEN_TCP                0
    #define CHECKSUM_CHECK_IP               0
    #define CHECKSUM_CHECK_UDP              0  
    #define CHECKSUM_CHECK_TCP              0

兴高采烈的去lwip udp.c中的相应位置：  
udpchksum = inet\_chksum\_pseudo(q, src\_ip, dst\_ip, IP\_PROTO\_UDP, q->tot\_len);  
去修改，发现怎么改抓包看到的checksum值都不变。

LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: UDP packet length %"U16_F"\n", q->tot_len));
        udphdr->len = htons(q->tot_len);
        /* calculate checksum */
    #if CHECKSUM_GEN_UDP
        if ((pcb->flags & UDP_FLAGS_NOCHKSUM) == 0) {
          u16_t udpchksum = 0;
    #if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY
          if (have_chksum) {
            u32_t acc;
            udpchksum = inet_chksum_pseudo_partial(q, src_ip, dst_ip, IP_PROTO_UDP,
              q->tot_len, UDP_HLEN);
            acc = udpchksum + (u16_t)~(chksum);
            udpchksum = FOLD_U32T(acc);
          } else
    #endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY */
          {
            udpchksum = inet_chksum_pseudo(q, src_ip, dst_ip, IP_PROTO_UDP, q->tot_len);
          }
    
          /* chksum zero must become 0xffff, as zero means 'no checksum' */
          if (udpchksum == 0x0000) {
            udpchksum = 0xffff;
          }
          udphdr->chksum = udpchksum;
        }
    #endif /* CHECKSUM_GEN_UDP */
        LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: UDP checksum 0x%04"X16_F"\n", udphdr->chksum));
        LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: ip_output_if (,,,,IP_PROTO_UDP,)\n"));
        /* output to IP */
        NETIF_SET_HWADDRHINT(netif, &pcb->addr_hint);
        err = ip_output_if(q, src_ip, dst_ip, pcb->ttl, pcb->tos, IP_PROTO_UDP, netif);
        NETIF_SET_HWADDRHINT(netif, NULL);

7.问题指向了checksum是否是由硬件校验生成，导致软件修改无果。  
最终发现确实如此，在数据包的实际传输tivaif\_transmit函数中，配置了网卡的状态为DES0\_TX\_CTRL\_IP\_ALL\_CKHSUMS，修改为DES0\_TX\_CTRL\_NO\_CHKSUM，问题完美解决。

`在这里插入代码片`  
总结：udp在发送数据时会因为包头中的checksum值不对而丢包，一般为了提高CPU的工作效率，都会默认为checksum的校验方式为硬件校验，导致在超过MTU值限制时，硬件网卡自动生成的checksum值出错，改为软件校验可以解决此问题。

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