SLIP、CSI和CheckSum算法

去年的工作中遇到一个需求涉及到SLIP协议、CSI协议和CheckSum算法，特此记录与总结一下。

需求描述

公司有一款硬件设备，该硬件设备可以采集一些数据（20KB左右），该设备支持串口通信，现在需要在Android App端获取设备采集的数据并上传至服务器，其中Android App使用蓝牙通信的方式，增加一个蓝牙转串口的小设备，以此来和公司设备进行串口通信。

通信协议整体描述

公司设备所使用的串口通信协议分为四层，如下图：

最下面一层（第四层）为SLIP协议层，SLIP协议层的数据域为第三层的IP协议层，IP协议层的数据域为第二层的UDP协议层，UDP协议层的数据域为第一层的CSI协议层。前三层协议都由协议头和数据区组成，四层协议层层嵌套最后组成了完成的串口通信协议。

SLIP协议

SLIP（Serial Line Internet Protocol，串行线路网际协议），该协议是Windows远程访问的一种旧工业标准，主要在Unix远程访问服务器中使用，现今仍然用于连接某些ISP。因为SLIP协议是面向低速串行线路的，可以用于专用线路，也可以用于拨号线路，Modem的传输速率在1200bps到19200bps。（摘自百度百科​​SLIP（网际协议）​​）

上述介绍可能有些难以理解，但是如果将SLIP写成Serial Line IP（串行线路 IP ）就很好理解了，可以将SLIP看成是对IP协议数据包的再封装，封装完了之后可以在串口通信中使用。那么为什么说它是一种旧的工业标准呢？因为现在它已经被PPP（点对点协议）广泛替代了。

SLIP 是一个包组帧协议（将IP协议数据包封装成帧），它很简单，仅仅定义了在串行线路上将数据包封装成帧的一系列字符，它没有提供寻址、包类型标识、错误检查 / 修正或者压缩机制。

SLIP定义的特殊字符及使用规则

SLIP定义的特殊字符如下：

这些字符的使用规则如下：

1、IP数据报以一个称作END(0xC0)的特殊字符结束，同时，为了防止数据报到来之前的线路噪声被当成数据报内容，大多数实现在数据报的开始处也传一个END字符；（SLIP 的帧以END开头和结束）

2、如果IP报文中某个字符为END，那么就要连续传输两个字节ESC,ESC_END(0XDB,0xDC)来取代它；

3、如果IP报文中某个字符为SLIP的ESC字符，那么就要连续传输两个字节ESC,ESC_ESC(0xDB,0xDD)来取代它。

IP协议

IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议，它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制，协议数据格式如下：

上图中画红框的是本文的另一个重点——CheckSum算法字段。

UDP协议

UDP 是User Datagram Protocol的简称， 中文名是用户数据报协议，是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，具体格式如下：

UDP协议和IP协议一样，都有一个CheckSum字段（16位，2Byte）

CSI协议

由于IP协议和UDP协议是不可靠的，因此必须在他们之上再添加一层用于提供更高的可靠性，本文中使用的是CSI协议，CSI协议头信息如下：

CSI头信息中包含了数据包长度、每包的序列号、授权码、消息类型、CRC校验码，以此提高传输的可靠性。

CheckSum算法

在IP协议和UDP协议中都有一个CheckSum字段，下面说一下这个字段是怎么来的，即CheckSum算法。

什么叫CheckSum

CheckSum算法，也叫和校验，顾名思义，将数据的各项相加求和，以此判断数据的正确性。

与另一种常用的校验方式CRC校验相比，和校验实现简单，但其校验的精确度相比CRC稍差。如果不是对数据的准确性要求特别高的使用场合，校验和都是一种不错的短数据校验方式。

CheckSum算法的实现步骤

CheckSum算法（16 bit，2 byte）的实现步骤如下：

1、先将需要计算checksum数据中的checksum设为0；
2、将计算checksum的数据按2 byte划分开来，每2 byte组成一个16 bit的值，如果最后有单个byte的数据，补一个byte的0组成2 byte；
3、把所有16位的字相加，如果遇到进位，则将高于16字节的进位部分的值加到最低位上，举例，0xBB5E+0xFCED=0x1 B84B，则将1放到最低位，得到结果是0xB84C
4、将所有字相加得到的结果应该为一个16位的数，将该数取反则可以得到检验和checksum。

在具体实现时可以将步骤三作如下修改，以方便实现：
3.1、将所有的16 bit值累加到一个32 bit的值中；
3.2、将32 bit值的高16 bit与低16 bit相加到一个新的32 bit值中，若新的32 bit值大于0xFFFF, 再将新值的高16 bit与低16 bit相加；

在java中实现CheckSum算法的代码如下：

    /***
     * @param hexString 
     *    需要校验数据的16进制字符串
     * @param preTotal 
     *    和校验字段的初始值:"0000"
     * @return 未经过取反的16进制字符串
     * */
    public static String checkSum(String hexString, String preTotal) {
        String hexStr = hexString;
        List<String> hexStrArrey = new ArrayList<String>();               //步骤二
        int i = 0;
        int len = hexString.length() / 4;                       
        for (i = 0; i < len; i++) {
            hexStrArrey.add(hexStr.substring(i * 4, i * 4 + 4));
        }
        int total = Integer.parseInt(preTotal, 16);                        //步骤三
        for (int j = 0; j < hexStrArrey.size(); j++) {
            total += Integer.parseInt(hexStrArrey.get(j), 16);
        }

        String totalHex = Integer.toHexString(total);

        int zeroNum = 8 - totalHex.length();
        if (zeroNum > 0) {
            String zero = "";
            for (int k = 0; k < zeroNum; k++) {
                zero += "0";
            }
            totalHex = zero + totalHex;
        }
        String heigh = totalHex.substring(0, 4);
        String low = totalHex.substring(4, totalHex.length());

        int heighAddlow = Integer.parseInt(heigh, 16)
                + Integer.parseInt(low, 16);

        String heighAddlowStr = Integer.toHexString(heighAddlow);
        int resZeroLen = 4 - heighAddlowStr.length();

        if (resZeroLen > 0) {
            String zero = "";
            for (int k = 0; k < resZeroLen; k++) {
                zero += "0";
            }
            heighAddlowStr = zero + heighAddlowStr;
        }

        return heighAddlowStr.toUpperCase();
    }

    /***
     * @param heighAddlowStr 需要取反的16进制字符串
     * @return 按位取反之后的16进制字符串
     * */
    public static String getAginst(String heighAddlowStr) {        //步骤四
        String binaryStr = hexString2binaryString(heighAddlowStr);
        String temp = binaryStr.replaceAll("1", "3");
        String temp2 = temp.replaceAll("0", "1");
        String temp3 = temp2.replaceAll("3", "0");
        return binaryString2hexString(temp3).toUpperCase();
    }

    public static String binaryString2hexString(String bString) {
        if (bString == null || bString.equals("") || bString.length() % 8 != 0)
            return null;
        StringBuffer tmp = new StringBuffer();
        int iTmp = 0;
        for (int i = 0; i < bString.length(); i += 4) {
            iTmp = 0;
            for (int j = 0; j < 4; j++) {
                iTmp += Integer.parseInt(bString.substring(i + j, i + j + 1)) << (4 - j - 1);
            }
            tmp.append(Integer.toHexString(iTmp));
        }
        return tmp.toString();
    }

IP、TCP/UDP中如何实现CheckSum?

在生成IP协议的CheckSum字段时和生成UDP协议的CheckSum字段略有不同，具体区别如下：

1、 生成IP协议的CheckSum字段只需要使用IP头数据；关键代码如下：

        String data = this.ipHandr.ver_ihl + this.ipHandr.tos + this.ipHandr.tlen + this.ipHandr.fragid + this.ipHandr.fragoff + this.ipHandr.ttl + this.ipHandr.proto + this.ipHandr.checksum + this.ipHandr.sAddr + this.ipHandr.dAddr;
        String checkSum = checkSum(data, "0000");
        this.ipHandr.checksum = getAginst(checkSum);

2、 TCP/UDP的CheckSum计算的数据，除了包含TCP/UDP头及TCP/UDP的数据域外，还需要增加一个伪TCP/UDP头，这样，TCP/UDP的CheckSum计算数据如下：
伪头部+TCP/UDP头部+TCP/UDP数据

关键代码如下：

        String pseudoHeader = this.ipHandr.sAddr + this.ipHandr.dAddr + "0011" + this.updHandr.length;
        String pseudoHeaderCheckSum = checkSum(pseudoHeader, "0000");
        String udpHeader = this.updHandr.sPort + this.updHandr.dPort + this.updHandr.length + this.updHandr.checksum + this.data;
        String udpCheckSum = checkSum(
                udpHeader,
                pseudoHeaderCheckSum);
        this.updHandr.checksum = getAginst(udpCheckSum);

TCP/UDP伪首部的作用

伪首部(pseudo header)，通常有TCP伪首部和UDP伪首部。在UDP/TCP伪首部中，包含32位源IP地址，32位目的IP地址，8位填充0，8位协议，16位TCP/UDP长度。通过伪首部的校验，UDP可以确定该数据报是不是发给本机的，通过首部协议字段，UDP可以确认有没有误传。