使用更新版本的gcc时，UDP校验和计算不起作用。

Question

下面包含的代码是一个生成给定固定大小负载的UDP数据包并发送它的函数的简化实现。

在切换到更新版本的gcc后，该代码突然显示出错误：UDP校验和计算不正确，并且这可以追溯到以下行：

pseudoHeader->protocol = IPPROTO_UDP;

如果使用至少-O2优化，编译器似乎不会生成指令。

以下解决方法可以解决该问题（每个建议都是独立的，即您不必同时应用所有建议！）：

• 将提到的代码行移动到两个inet_pton调用之前
• 在校验和计算后删除对memset(ipHeader, 0, sizeof(struct ip))的调用
• 将ip_checksum()作为外部函数放在此翻译单元之外

由于代码频繁使用强制类型转换以及错误仅出现在-O2或更高版本中，并且解决方法的性质几乎要求这是代码中的别名错误。是否存在实际错误，如果有，如何修复？

#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <netpacket/packet.h>

#define UDP_PORT 2345
#define REPLY_PAYLOAD_SIZE 360

typedef struct UDPPseudoHeader
{
    unsigned long int source_ip;
    unsigned long int dest_ip;
    unsigned char reserved;
    unsigned char protocol;
    unsigned short int udp_length;
} UDPPseudoHeader;

void sendPacket(unsigned char* packet, int len);

static unsigned short ip_checksum(unsigned short *ptr, int len)
{
    int sum = 0;
    unsigned short answer = 0;
    unsigned short *w = ptr;
    int nleft = len;

    while(nleft > 1) {
        sum += *w++;
        nleft -= 2;
    }

    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    answer = ~sum;
    return(answer);
}

void sendBroadcastPacket(uint16_t destPort, char* packet) {
    unsigned char buffer[REPLY_PAYLOAD_SIZE + sizeof(struct ip) + sizeof(struct udphdr)];
    int bufferLen = REPLY_PAYLOAD_SIZE + sizeof(struct ip) + sizeof(struct udphdr);

    /* initialize header pointers */
    struct udphdr* udpHeader = (struct udphdr*)(buffer + sizeof(struct ip));
    UDPPseudoHeader* pseudoHeader = (UDPPseudoHeader*)(buffer + sizeof(struct ip) - sizeof(UDPPseudoHeader));
    struct ip* ipHeader = (struct ip*)(buffer);

    memset(buffer, 0, bufferLen);

    /* copy user data */
    memcpy(buffer + sizeof(struct ip) + sizeof(struct udphdr), packet, REPLY_PAYLOAD_SIZE);

    /* fill in UDP header */
    udpHeader->source = htons(UDP_PORT);
    udpHeader->dest = htons(destPort);
    udpHeader->len = htons(sizeof(struct udphdr) + REPLY_PAYLOAD_SIZE);
    udpHeader->check = 0;

    /* create UDP pseudo header for checksum calculation */
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &pseudoHeader->source_ip);
    inet_pton(AF_INET, "255.255.255.255", &pseudoHeader->dest_ip);
    pseudoHeader->reserved = 0;
    pseudoHeader->protocol = IPPROTO_UDP;
    pseudoHeader->udp_length = htons(sizeof(struct udphdr) + REPLY_PAYLOAD_SIZE);

    /* calculate UDP checksum */
    udpHeader->check = ip_checksum((unsigned short*) pseudoHeader, bufferLen - sizeof(struct ip) + sizeof(UDPPseudoHeader));

    /* fill in IP header */
    memset(ipHeader, 0, sizeof(struct ip));
    ipHeader->ip_v = 4;
    ipHeader->ip_hl = 5;
    ipHeader->ip_tos = IPTOS_LOWDELAY;
    ipHeader->ip_len = htons(bufferLen);
    ipHeader->ip_off = htons(IP_DF);
    ipHeader->ip_id = 0;
    ipHeader->ip_ttl = 16;
    ipHeader->ip_p = IPPROTO_UDP;
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &ipHeader->ip_src);
    inet_pton(AF_INET, "255.255.255.255", &ipHeader->ip_dst);
    ipHeader->ip_sum = 0;

    /* calculate IP checksum */
    ipHeader->ip_sum = ip_checksum((unsigned short*) ipHeader, ipHeader->ip_hl * 4);

    sendPacket(buffer, bufferLen);
}

- Christoph Freundl

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这是一些非常脆弱的代码...理想情况下，它应该能够在原始字节流之间进行复制，并复制到/从结构中（并在此过程中修复字节序），而不需要使用肮脏的转换。在现有代码中，所有内容都被复制，因此不会影响性能。 - Lundin

是的，我知道。这已经使用了将近十年了，所以我很惊讶它突然间不起作用了。嗯，结果证明我之前只是幸运而已。在写下问题时，我显然是朝着正确的方向搜索，最终自己找到了答案。 - Christoph Freundl

@ChristophFreundl 在 ip_checksum() 函数中，将 int sum = 0; 改为 unsigned sum = 0; 可以避免在 len 较大时出现问题。对于 sum >> 16 中的符号位移是一个关注点。 - chux - Reinstate Monica

Answer 1

这段代码确实违反了严格别名规则。编译器假设调用ip_checksum()与结构体成员reserved和protocol的赋值无关，因为它们修改了char类型，而ip_checksum()是在unsigned short数组上计算的。因此，由于后续对memset()的调用会覆盖内存，这些赋值都被完全优化掉了。

一个可能的解决方案是将伪头声明为

typedef union {
    struct {
        unsigned long int source_ip;
        unsigned long int dest_ip;
        unsigned char reserved;
        unsigned char protocol;
        unsigned short int udp_length;
    } hdr;
    unsigned short as_short[6];
} UDPPseudoHeader;

并通过替换伪标题的生成和校验和计算来实现。

/* create UDP pseudo header for checksum calculation */
inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &pseudoHeader->hdr.source_ip);
inet_pton(AF_INET, "255.255.255.255", &pseudoHeader->hdr.dest_ip);
pseudoHeader->hdr.reserved = 0;
pseudoHeader->hdr.protocol = IPPROTO_UDP;
pseudoHeader->hdr.udp_length = htons(sizeof(struct udphdr) + REPLY_PAYLOAD_SIZE);

/* calculate UDP checksum */
udpHeader->check = ip_checksum(pseudoHeader->as_short, bufferLen - sizeof(struct ip) + sizeof(UDPPseudoHeader));

- Christoph Freundl

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我强烈建议使用stdint.h。一些奇怪的编译器端口会使64位计算机上的long变为8个字节，这样你就会得到膨胀的开销字节。 - Lundin

Answer 2

另一个问题：

对齐

unsigned char buffer[REPLY_PAYLOAD_SIZE + sizeof(struct ip) + sizeof(struct udphdr)];
...
struct ip* ipHeader = (struct ip*)(buffer);

buffer没有为struct ip正确对齐。

- chux - Reinstate Monica

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这是一个很好的评论。我将扩展创建适当的结构体/联合体的方法到整个缓冲区，这应该能够处理正确的对齐方式，同时也可以通过这种方式摆脱几乎所有的强制转换。 - Christoph Freundl

@ChristophFreundl 一个_cast_通常是做错事的标志，最好避免使用 - 当然也有例外情况。 - chux - Reinstate Monica