Cálculo de Soma de Verificação do User Datagram Protocol

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1 Resumo Cálculo de Soma de Verificação do User Datagram Protocol Othon Marcelo Nunes Batista Mestre em Informática Mesmo sendo um protocolo que nada garante, o UDP tem um campo no datagrama que, quando é calculado, apresenta a soma de verificação dos seus bits. Isso significa, que um receptor pode saber se o datagrama está correto através do cálculo da soma de verificação. O cálculo de soma de verificação UDP é o complemento de um da soma de todos os blocos de 16 bits do datagrama. Este artigo apresenta um método manual para cálculo da soma de verificação UDP. As informações dadas para que o cálculo seja realizado são: os números da porta fonte e destino e o conteúdo do campo de dados. Aspectos adicionais ao método incluem: considerações quanto ao campo comprimento, exceção quanto ao agrupamento dos blocos de 16 bits de dados, método rápido para converter números decimais em números binários e exceção quando o resultado de uma soma tem o comprimento superior a 16 bits. Palavras-chave: redes de computadores, TCP/IP, UDP, checksum, soma de verificação. 1. Introdução O User Datagram Protocol (UDP) está presente na camada de transporte da arquitetura Transfer Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) (POSTEL, 1980). Ele é um protocolo que tem como unidade de transmissão o datagrama e fornece de um serviço de melhor esforço às aplicações que o utilizarem. Isso significa que ele apenas garante enviar um datagrama e nada mais. Não há qualquer outra garantia. A camada de transporte TCP/IP também contém outro protocolo orientado à conexão, confiável, com controle de fluxo e controle de congestionamento, denominado TCP (UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA, 1981). Ao compará-lo com o TCP, outro protocolo da camada de transporte TCP/IP, ele é muito mais ágil. Isso ocorre porque o TCP é orientado à conexão e garante confiabilidade, controle de fluxo e controle de congestionamento. Enquanto UDP é não orientado à conexão e nada garante. A agilidade, quando comparado ao TCP, é uma vantagem. Por isso, UDP é bastante utilizado em aplicações multimídia ao vivo ou em tempo real (KUROSE e ROSS, 2010). Mesmo sendo um protocolo que nada garante, o UDP tem um campo no datagrama que, quando é calculado, apresenta a soma de verificação dos seus bits. Isso significa, que um receptor pode saber se o datagrama está correto através do cálculo da soma de verificação. Atenção, isso não é

2 confiabilidade! Isso é corretude no receptor e apenas acontece quando a soma de verificação foi calculada no emissor. Confiabilidade, do ponto de vista da camada de transporte, é uma característica do TCP, que garante que os segmentos são entregues, entregues na ordem e entregues corretos. UDP não garante isso! (COMER, 2006) O datagrama UDP é uma estrutura composta por cinco campos, sendo quatro no cabeçalho, de comprimento fixo, e um de dados, respectivamente: porta fonte, 16 bits de comprimento; porta destino, 16 bits de comprimento; tamanho em bytes, 16 bits de comprimento; soma de verificação, 16 bits de comprimento. Figura 1. Formato do datagrama UDP. Fonte: adaptado de (KUROSE e ROSS, 2010, p. 153) A figura 1 apresenta os campos de um datagrama UDP. O primeiro campo é a porta fonte, ele inicia na posição zero, vai até a posição 15, e, assim sendo, tem 16 bits de comprimento. Ou seja, é um número que, em binário, pode variar de ( ) 2 até ( ) 2, que, em decimal, pode variar de 0 até (0 até ). O segundo campo é a porta destino, inicia na posição 16, vai até a posição 31, e, também tem 16 bits de comprimento. O campo tamanho em bytes contém um número binário de 16 bits que representa o tamanho do datagrama em bytes. Ele inicia na posição 32 e vai até a posição 47, sendo um campo de 16 bits. O último campo do cabeçalho é a soma de verificação que deve ser calculado com base nos outros. Ele inicia na posição 47 e vai até a posição 63. A partir da posição 64 inicia o campo dados. Este campo tem

3 comprimento variável e tipicamente é uma mensagem de uma aplicação. A soma de verificação é um cálculo opcional para UDP. Quando um receptor obtém um datagrama UDP com o campo soma de verificação igual a zero, significa que ela não foi realizada no emissor e, no receptor, não há como garantir sequer a corretude das informações nele contidas. Por outro lado, quando a soma de verificação é realizada no emissor, o receptor pode verificar a corretude das informações contidas no datagrama UDP utilizando o mesmo cálculo. Em situações reais, o emissor e o receptor incluem no cálculo da soma de verificação as informações contidas em um pseudo-cabeçalho, com 96 bits, obtido da camada de rede. Os campos deste pseudo-cabeçalho são: endereço IP fonte, 32 bits de comprimento; endereço IP destino, 32 bits de comprimento; zero, 8 bits zerados para fins de preenchimento; código do protocolo, 8 bits de comprimento; comprimento do datagrama UDP, 16 bits de comprimento (figura 2). Figura 2. Pseudo-cabeçalho incluído no cálculo de soma de verificação UDP. Fonte: adaptado de (COMER, 2006, p. 201) As informações do pseudo-cabeçalho não são enviadas, servem apenas para os cálculos de soma de verificação. Neste artigo, como o objetivo é aprender o método para calcular a soma de verificação UDP, o pseudo-cabeçalho é desprezado (COMER, 2006). O cálculo de soma de verificação UDP é o complemento de um da soma de todos os blocos de 16

4 bits do datagrama (BRADEN e BORMAN, 1988). Este artigo apresenta um método manual para cálculo da soma de verificação UDP. As informações dadas para que o cálculo seja realizado são: os números da porta fonte e destino e o conteúdo do campo de dados. Aspectos adicionais ao método incluem: considerações quanto ao campo comprimento, exceção quanto ao agrupamento dos blocos de 16 bits de dados, método rápido para converter números decimais em números binários e exceção quando o resultado de uma soma tem o comprimento superior a 16 bits. 2. Passos para Cálculo da Soma de Verificação O cálculo de soma de verificação UDP é definido como o complemento de um da soma de todos os blocos de 16 bits do datagrama (BRADEN e BORMAN, 1988). Para que ele seja realizado, alguns passos devem ser cumpridos: 1. determinação do comprimento do datagrama; 2. agrupamento dos campos em blocos de 16 bits; 3. conversão dos números em decimal para números binários; 4. soma dos blocos de 16 bits; 5. complemento de um da soma dos blocos de 16 bits. Estes passos podem ser realizados em números decimais, sem a necessidade de converter os números em binário, desde que as exceções no agrupamento e soma sejam observadas. No final, basta lembrar, que em decimal, o complemento de um, neste caso, é o mesmo que efetuar a subtração de da soma. Por exemplo, supondo que o resultado da soma dos blocos de 16 bits é 31768, a soma de verificação em decimal é 33767, ou seja, O exemplo utilizado para apresentar estes passos é um datagrama com a porta fonte igual a 1234, a porta destino igual a e a string ABCD, sem as aspas, no campo de dados. Os campos comprimento e soma de verificação devem ser calculados (figura 3).

5 Figura 3. Datagrama UDP utilizado para apresentar o cálculo de soma de verificação Determinação do Comprimento do Datagrama O comprimento de um datagrama UDP é a soma do comprimento do cabeçalho com o comprimento dos dados. O comprimento do cabeçalho é fixo e sempre tem o mesmo tamanho, são quatro campos, cada um com 16 bits, o que resulta em 64 bits, ou 8 bytes, de comprimento. Portanto, o menor datagrama UDP, composto apenas pelo cabeçalho, tem 8 bytes. O comprimento dos dados é variável e depende da quantidade de bytes que estão no campo. No caso do datagrama da figura 3, considerando que cada letra tem um byte, e que há quatro letras, ABCD, os dados têm o comprimento de 4 bytes. Para o datagrama da figura 3, o comprimento são 12 bytes. Ele resulta da soma dos 8 bytes do cabeçalho com os 4 bytes dos dados. Vale lembrar que este número, 12, deve ser escrito no campo como um número binário de 16 bits, ou seja ( ) Agrupamento dos Campos em Blocos de 16 Bits Os campos do cabeçalho já são, cada um deles, blocos de 16 bits e não precisam ser agrupados. Entretanto, os valores apresentados na figura 3 estão em decimal e precisam ser convertidos para binário. Já o campo de dados deve ser agrupado, na ordem em que os bytes apresentam-se, em blocos de 16 bits. No caso do campos de dados exibido na figura 3, cujo conteúdo é ABCD, isso é o mesmo que agrupar as representações em binário do código American Standard Code for Interchange of Information (ASCII) para cada letra. Isso significa AB seguido de CD.

6 O quadro 1 mostra o agrupamento, em binário, de AB e CD. ASCII ('A') = 65 = ( ) 2 ASCII ('B') = 66 = ( ) 2 ASCII ('C') = 67 = ( ) 2 ASCII ('D') = 68 = ( ) 2 AB ( ) 2 CD ( ) 2 Quadro 1. Agrupamento de AB e CD. Uma exceção deve ser tratada quando o campo de dados não tem blocos exatos de 16 bits. Por exemplo, se os dados são ABC, AB forma um bloco de 16 bits, mas C forma apenas 8 bits. Neste caso, basta preencher à direita dos bits de C com 8 bits zero (byte nulo) Conversão dos Números em Decimal para Números Binários Os campos porta fonte, porta destino e comprimento precisam ter os conteúdos convertidos para binário, já que estão em decimal. Uma técnica rápida para conversão manual de números decimais em números binários consiste em realizar subtrações sucessivas do número decimal por potências de 2. Esta técnica de conversão depende de conhecimento prévio de potências de 2 e de subtrações. A conversão dos números 1234, porta fonte, 10520, porta destino, e 12, comprimento, para binário é exibida no quadro 2. Cada subtração deve ser feita pela potência de dois que no máximo seja igual ao número até que ele seja zerado. Os expoentes das potências de 2 são as posições dos bits 1 no número binário. Todas as outras posições são zero. Este método é, na maioria das vezes, mais eficiente que a divisão sucessiva por = = = = = Os bits da posição 1, 4, 6, 7 e 10 são 1. Todos os outros são zero.

7 = = = = = Os bits da posição 3, 4, 8, 11 e 13 são 1. Todos os outros são zero = = Os bits da posição 2 e 3 são 1. Todos os outros são zero = ( ) = ( ) 2 12 = ( ) 2 Quadro 2. Conversão dos número de porta fonte, número de porta destino e comprimento de decimal para binário.

8 2.4. Soma dos Blocos de 16 Bits Os blocos de 16 bits devem ser todos somados. O quadro 4 apresenta o resultado para o datagrama da figura 3. Porta Fonte = Porta Destino = Comprimento = AB = CD = Quadro 4. Soma dos blocos de 16 bits do datagrama da figura 3. Uma exceção pode ocorrer em qualquer uma das somas, vai um no bit mais significativo (o bit mais à esquerda). Caso isso ocorra, o resultado da soma não cabe no campo que tem 16 bits e uma ação adicional deve ser tomada. O bit adicional de vai um deve ser ignorado no número e somado ao bit menos significativo do resultado (o bit mais à direita). Um exemplo com esta exceção é exibido no quadro Vai um no bit mais significativo gera um estouro e o resultado não cabe no campo de 16 bits! (ignora o 1 no bit mais significativo) + 1 (adiciona o 1 ao bit menos significativo) (exceção tratada) Quadro 5. Vai um no bit mais significativo Complemento de Um da Soma dos Blocos de 16 Bits O complemento de um é a inversão dos bits de um número. A soma de verificação é a inversão dos bits da soma realizada nos blocos de 16 bits do datagrama. Para o datagrama da figura 3, o

9 complemento de um está calculado e exibido no quadro 6. Complemento de 1 de = Soma de verificação = Quadro 6. Soma dos blocos de 16 bits do datagrama da figura Conclusão Este artigo apresentou um método manual para calcular a soma de verificação de um datagrama UDP. Aspectos adicionais ao método incluiram: considerações quanto ao campo comprimento, exceção quanto ao agrupamento dos blocos de 16 bits de dados, método rápido para converter números decimais em números binários e exceção quando o resultado de uma soma tem o comprimento superior a 16 bits. As informações do pseudo-cabeçalho, que são utilizadas nos cálculos reais, foram ignoradas, pois não interferem na apresentação do método de cálculo. A verificação da soma de verificação no receptor é feita utilizando o mesmo cálculo, mas levando em conta todos os campos do cabeçalho, inclusive a soma calculada pelo emissor. Ao final do cálculo, o receptor sabe que o datagrama está correto se o resultado é zero. Caso contrário, o datagrama está incorreto.

10 4. Referências BRADEN, R. e BORMAN, D. Request For Comment 1071 Computing the Internet Checksum. Disponível em: < Acesso em: 22 Mai COMER, D. E. Interligação em Redes com TCP/IP Volume I Princípios, Protocolos e Arquitetura. 5 a edição KUROSE, J. F. e ROSS, K. Redes de Computadores e a Internet, uma Nova Abordagem. 5 a edição. Pearson do Brasil POSTEL, J. Request For Comment 768 User Datagram Protocol. Disponível em: < Acesso em: 22 Mai TANENBAUM, A. S. Redes de Computadores. 5 a edição. Pearson do Brasil UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA. Request For Comment 793 Transmission Control Protocol. Disponível em: < Acesso em: 22 Mai