校验和增量计算方法（RFC 1624）

问题

如果修改了数据包 tcp 的目的端口号，也修改了对应 ipv4 头的目的 ip 地址，如何重新计算 tcp 头的 checksum ？

回答

当同时修改 TCP 目的端口号 和 IPv4 头中的目的 IP 地址 时（例如在 NAT 或负载均衡场景中），由于 TCP 校验和（checksum）的计算包含了 伪头部（Pseudo Header），而伪头部中包含了源 IP、目的 IP、协议号和 TCP 长度，因此这两个字段的修改都会影响最终的 TCP 校验和。

此时，不能再仅对端口做简单的增量更新，而必须考虑 IP 地址变化带来的影响。幸运的是，可以使用 RFC 1624 的增量校验和思想，对两个变化进行 复合增量更新，而无需重新计算整个 TCP 数据的和。

✅ 解决方案：复合增量校验和更新（基于 RFC 1624）

1. 理解 TCP 校验和的组成

TCP 校验和计算基于以下数据的反码和（one's complement sum）：

•伪头部（Pseudo Header）（12 字节）：•源 IP 地址（4 字节）•目的 IP 地址（4 字节） ← 被修改•零字节（1 字节）•协议号（1 字节，TCP 为 6）•TCP 长度（2 字节）•TCP 头部（含端口号等）•源端口（2 字节）•目的端口（2 字节） ← 被修改•其他字段（序列号、确认号、标志位等）•TCP 数据

最终校验和是使得所有这些 16 位字之和为 0xFFFF 的值。

2. 核心思想：增量更新

如果原始校验和为 C，我们修改了两个 16 位字段（或可表示为 16 位和的字段），则新的校验和为：

其中 Δ 是所有修改字段的 反码差值之和。

但由于 IP 地址是 32 位，需拆分为两个 16 位字段处理。

✅ 分步计算步骤

假设：

•原目的 IP：old_dst_ip = A1A2 A3A4（十六进制，网络字节序）•新目的 IP：new_dst_ip = B1B2 B3B4•原目的端口：old_dst_port（16 位）•新目的端口：new_dst_port（16 位）•原 TCP 校验和：tcp_checksum（16 位）

步骤 1：拆分 IP 地址为两个 16 位字段

在伪头部中，目的 IP 地址是 32 位，按网络字节序排列，可视为两个 16 位数：

•高 16 位：old_high = (A1A2)，new_high = (B1B2)•低 16 位：old_low = (A3A4)，new_low = (B3B4)

步骤 2：计算每个修改字段的“反码差值”

根据 RFC 1624，每个字段从 old 变为 new，对校验和的贡献是 (~old + new)。

因此总增量为：

注意：~old 是按位取反，所有运算为 反码算术加法（需处理进位）。

步骤 3：更新校验和

然后进行 回卷进位（end-around carry） 处理：

// 用 32 位累加器处理进位
uint32_t sum = (uint32_t)tcp_checksum;
sum += (uint32_t)(~old_high) + (uint32_t)new_high;
sum += (uint32_t)(~old_low)  + (uint32_t)new_low;
sum += (uint32_t)(~old_dst_port) + (uint32_t)new_dst_port;
// 处理回卷进位：将高 16 位加到低 16 位，直到无进位
while (sum >> 16) {
    sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16);
}
uint16_t new_tcp_checksum = (uint16_t)sum;

步骤 4：更新 IP 头校验和（额外）

别忘了，IPv4 头校验和也依赖于目的 IP 地址。IP 头校验和只覆盖 IP 头本身，不包含传输层数据。

IP 头校验和也可以增量更新：

// IP 校验和更新（假设原 IP 校验和为 ip_checksum）
uint32_t ip_sum = (uint32_t)ip_checksum + (uint32_t)(~old_dst_ip_high) + (uint32_t)new_dst_ip_high
                                + (uint32_t)(~old_dst_ip_low)  + (uint32_t)new_dst_ip_low;
while (ip_sum >> 16) {
    ip_sum = (ip_sum & 0xFFFF) + (ip_sum >> 16);
}
ip_header->checksum = (uint16_t)ip_sum;

✅ 示例（简化数值）

假设：

•原目的 IP：192.168.1.1 → 0xC0A80101 → 高 0xC0A8，低 0x0101•新目的 IP：10.0.0.1 → 0x0A000001 → 高 0x0A00，低 0x0001•原目的端口：5000 → 0x1388•新目的端口：80 → 0x0050•原 TCP 校验和：0x1234

计算：

sum = 0x1234
    + (~0xC0A8 + 0x0A00)   // IP 高 16 位
    + (~0x0101 + 0x0001)   // IP 低 16 位
    + (~0x1388 + 0x0050)   // 端口

即：

sum = 0x1234
    + (0x3F57 + 0x0A00)   // ~0xC0A8 = 0x3F57
    + (0xFEFE + 0x0001)   // ~0x0101 = 0xFEFE
    + (0xEC77 + 0x0050)   // ~0x1388 = 0xEC77
sum = 0x1234 + 0x4957 + 0xFEFF + 0xEC87
    = 0x1234 + 0x4957 = 0x5B8B
    + 0xFEFF = 0x15B8A → 回卷: 0x5B8A + 1 = 0x5B8B
    + 0xEC87 = 0x14812 → 回卷: 0x4812 + 1 = 0x4813

所以新 TCP 校验和为 0x4813。

✅ 总结

当同时修改 TCP 目的端口 和 IPv4 目的 IP 地址 时，重新计算 TCP 校验和的方法如下：

1.将目的 IP 地址拆分为两个 16 位字段（高 16 位和低 16 位）。2.对每个被修改的 16 位字段（IP 高、IP 低、目的端口），计算增量：(~old_value + new_value)。3.将这些增量与原 TCP 校验和相加。4.对结果进行 回卷进位处理，直到结果在 16 位范围内。5.得到的新值即为更新后的 TCP 校验和。6.额外：使用类似方法更新 IPv4 头校验和（仅针对 IP 头字段）。

这种方法正是 RFC 1624 所倡导的 增量校验和（Incremental Checksum） 的典型应用。

对比全量重算法

•RFC 1624: Computation of the Internet Checksum via Incremental Update•Intel DPDK Programmer’s Guide