1. IPv4 header

1.1. OSI Model

Open Systems Interconnection (OSI) model là một mô hình dựa theo thiết kế phân tầng, lý giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối giữa các máy vi tính.

Mô hình OSI gồm 7 tầng (layer), mỗi tầng đều chỉ sử dụng chức năng của tầng bên dưới của nó, đồng thời chỉ cho phép tầng trên sử dụng các chức năng của mình. Các tầng này liên kết với nhau tạo thành một protocol stack.

Trong đó, IP Protocol hay cụ thể hơn là IPv4 hoạt động ở tầng 3 (Network Layer).

1.2. IPv4 header

Internet Protocol version 4 (IPv4) là phiên bản thứ 4 của Internet Protocol (IP).

IPv4 Header bao gồm 14 trường (fields), trong đó 13 trường là bắt buộc, trường còn lại là trường Optional.

Example

Ví dụ có 1 IP header như sau:

4510 003c 16a7 4000 4006 a2b1 c0a8 0002 c0a8 0001

Trong đó:

2. Checksum

2.1. OSI model checksum

Checksum là 1 đoạn binary/hex được sử dụng để kiểm tra sự toàn vẹn của gói tin. Phía Sender sẽ gửi gói tin và tính toán ra chuỗi checksum, sau đó chèn vào header. Phía Receiver sẽ nhận được gói tin và tính toán lại lần nữa. Sau đó, sử dụng chuỗi checksum đó để crosscheck với chuỗi checksum trong header mà phía Sender gửi đi, nếu trùng khớp thì gói tin là hợp lệ.

Trong mô hình OSI, mỗi tầng đều có 1 phương thức để kiểm tra lỗi khác nhau.

• Layer 2: Checksum sử dụng thuật toán CRC để kiểm tra lỗi của gói tin trước khi đi vào mô hình OSI.
• Layer 3: Các checksum tùy theo header của giao thức, ví dụ như IPv4 header checksum, ICMP header checksum, ..
• Layer 4: TCP pseduo header, reversed header, ..

2.2. IPv4 header checksum

IPv4 Header Checksum gồm 16 bits dùng cho việc kiểm tra lỗi của IPv4 header.

Thuật toán checksum của IPv4 Header được mô tả trong RFC 791 - Internet Protocol.

The checksum field is the 16 bit one’s complement of the one’s complement sum of all 16 bit words in the header. For purposes of computing the checksum, the value of the checksum field is zero.

This is a simple to compute checksum and experimental evidence indicates it is adequate, but it is provisional and may be replaced by a CRC procedure, depending on further experience.

2.3. Calculate and Verify the checksum

2.3.1. Calculate the checksum

Bước 1: Convert các giá trị hexdump sang binary code

Do trường Checksum sử dụng 16 bit tương ứng với 4 giá trị hex nên sẽ chia header thành nhiều phần, mỗi phần 4 hex.

4510 -> 0100010100010000
003c -> 0000000000111100
16a7 -> 0001011010100111
4000 -> 0100000000000000
4006 -> 0100000000000110
0000 -> 0000000000000000 // Trường checksum được set bằng 0 để chèn vào sau
c0a8 -> 1100000010101000
0002 -> 0000000000000010
c0a8 -> 1100000010101000
0001 -> 0000000000000001

Bước 2: Cộng các giá trị binary lại với nhau.

4510 -> 0100010100010000
+
003c -> 0000000000111100
-------------------------
454c -> 0100010101001100 // sum
+
16a7 -> 0001011010100111
-------------------------
5bf3 -> 0101101111110011 // sum = sum + 0x16a7
+
4000 -> 0100000000000000
-------------------------
9bf3 -> 01001101111110011 // sum = sum + 0x4000
+
4006 -> 0100000000000110
-------------------------
dbf9 -> 01101101111111001 // sum = sum + 0x4006
+
0000 -> 0000000000000000
-------------------------
dbf9 -> 01101101111111001 // sum = sum + 0x0000
+
c0a8 -> 1100000010101000
-------------------------
19ca1 -> 011001110010100001 // sum = sum + 0xc0a8
9ca2 -> 1001110010100010 // sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16)
+
0002 -> 0000000000000010
-------------------------
9ca4 -> 01001110010100100 // sum = sum + 0x0002
+
c0a8 -> 1100000010101000
-------------------------
15d4c -> 010101110101001100 // sum = sum + 0xc0a8
5d4d -> 0101110101001101 // sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16)
+
0001 -> 0000000000000001
-------------------------
5d4e -> 0101110101001110 // sum = sum + 0001, result

Bước 3: NOT cho tổng các binary để lấy checksum

5d4e -> 0101110101001110
a2b1 -> 1010001010110001 // checksum

Sau đó checksum này sẽ được chèn vào header.

2.3.2. Verify the checksum

Khi Receiver nhận được gói tin sẽ tính toán tương tự như Bước 2 ở mục 2.3.1, tuy nhiên trường Checksum lúc này sẽ không còn là 0 nữa, mà sẽ là giá trị Checksum do Sender tính toán.

Gói tin được xét là hợp lệ nếu tổng từng giá trị 16 bits trong header bằng 0xffff.

4510 + 003c + 16a7 + 4000 + 4006 + a2b1 + c0a8 + 0002 + c0a8 + 0001 = 2fffd // sum
(2fffd & 0xffff) + (2fffd >> 16) = fffd + 2 = ffff

Receiver sẽ xác định gói tin có ~(0xffff)=0x0000 lỗi.

3. References

• OSI Model (Wikipedia)
• IPv4 (Wikipedia)
• IPv4 header checksum