CRC校验码的原理介绍及其实现

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CRC校验原理

在二进制编码传输协议中，为了数据传输的正确性经常会采用循环冗余校验码CRC(cyclic redundancy check)来测试一个数据包是否有错误发生，循环冗余校验码的理论虽然比较复杂，但是实现原理却较为简单。在k位信息码(多项式表示为m(x))后再拼接r位的校验码,整个编码长度为n位，因此这种编码又叫(n,k)码。对于一个给定的(n,k)码，可以证明存在一个最高次幂为n -k= r的多项式g(x)。根据g(x)可以生成k位信息的校验码，而g(x)叫做这个CRC码的生成多项式。

校验码的具体生成过程为：假设发送信息用数据多项式m(x)表示，将m(x)左移n -k位，则可表示成m(x)× 2n-k。这样m(x)的右边就会空出n -k位，即校验码的位置。m(x)× 2n-k通过模2除法(异或运算，后面详解)除以生成多项式g(x)得到的商Q(x)和余数r(x),其中余数r(x)就是校验码。即

在发送端发送数据时余数加到信息码之后一同发出，将一组信息码和余数组成的数据块称为一个码元，设为T(x)，则有T(x)= m(x)× 2 n-k+ r(x)。接收端在接收到二进制码流的多想表达式都能够被生成多项式g(x)整除，如果传输中未发生错误，则接收码元与发送码元相同，故接收的码元必定能被g(x)整除；若码元在传输中发生错误，则接收的码元可能除不尽而有余数，因此我们就以余数是否为零来判断接收码元中有无错误。可能有错误的码元正好也被g(x)整除，这是CRC校验无力消除的，但通过选择多项式g(x)和增加冗余位数,使余数r(x)多项式的位数增多，来降低发生这种错误的概率。

模2除法

“模2除法”与“算术除法”类似，但它既不向上位借位，也不比较除数和被除数的相同位数值的大小，只要以相同位数进行相除即可。模2加法运算为：1+1=0，0+1=1，0+0=0，无进位，也无借位；模2减法运算为：1-1=0，0-1=1，1-0=1，0-0=0，也无进位，无借位。相当于二进制中的逻辑异或运算。也就是比较后，两者对应位相同则结果为“0”，不同则结果为“1”。如100101除以1110，结果得到商为11，余数为1，如图5-9左图所示。如11×11=101，如图1所示。

图1 “模2除法”和“模2乘法”示例

CRC校验实现步骤

具体来说，CRC校验原理就是以下几个步骤：
（1）先选择（可以随机选择，也可按标准选择，具体在后面介绍）一个用于在接收端进行校验时，对接收的帧进行除法运算的除数（是二进制比较特串，通常是以多项方式表示，所以CRC又称多项式编码方法，这个多项式也称之为“生成多项式”）。
（2）看所选定的除数二进制位数（假设为k位），然后在要发送的数据帧（假设为m位）后面加上k-1位“0”，然后以这个加了k-1个“0“的新帧（一共是m+k-1位）以“模2除法”方式除以上面这个除数，所得到的余数（也是二进制的比特串）就是该帧的CRC校验码，也称之为FCS（帧校验序列）。但要注意的是，余数的位数一定要是比除数位数只能少一位，哪怕前面位是0，甚至是全为0（附带好整除时）也都不能省略。
（3）再把这个校验码附加在原数据帧（就是m位的帧，注意不是在后面形成的m+k-1位的帧）后面，构建一个新帧发送到接收端，最后在接收端再把这个新帧以“模2除法”方式除以前面选择的除数，如果没有余数，则表明该帧在传输过程中没出错，否则出现了差错。
从上面可以看出，CRC校验中有两个关键点：一是要预先确定一个发送端和接收端都用来作为除数的二进制比特串（或多项式）；二是把原始帧与上面选定的除进行二进制除法运算，计算出FCS（帧校验序列）。前者可以随机选择，也可按国际上通行的标准选择，但最高位和最低位必须均为“1”，如在IBM的SDLC（同步数据链路控制）规程中使用的CRC-16（也就是这个除数一共是17位）生成多项式g（x）= x16 + x15 + x2 +1（对应二进制比特串为：11000000000000101）；而在ISO HDLC（高级数据链路控制）规程、ITU的SDLC、X.25、V.34、V.41、V.42等中使用CCITT-16生成多项式g（x）=x16 + x15 + x5 +1（对应二进制比特串为：11000000000100001）。
CRC校验码的计算示例
由以上分析可知，既然除数是随机，或者按标准选定的，所以CRC校验的关键是如何求出余数，也就是CRC校验码。
下面以一个例子来具体说明整个过程。现假设选择的CRC生成多项式为G（X） = X4 + X3 + 1，要求出二进制序列10110011的CRC校验码。下面是具体的计算过程：
（1）首先把生成多项式转换成二进制数，由G（X） = X4 + X3 + 1可以知道（，它一共是5位（总位数等于最高位的幂次加1，即4+1=5），然后根据多项式各项的含义（多项式只列出二进制值为1的位，也就是这个二进制的第4位、第3位、第0位的二进制均为1，其它位均为0）很快就可得到它的二进制比特串为11001。
（2）因为生成多项式的位数为5，根据前面的介绍，得知CRC校验码的位数为4（校验码的位数比生成多项式的位数少1）。因为原数据帧10110011，在它后面再加4个0，得到101100110000，然后把这个数以“模2除法”方式除以生成多项式，得到的余数，即CRC校验码为0100，如图2所示。注意参考前面介绍的“模2除法”运算法则。

图2 CRC校验码计算示例
（3）把上步计算得到的CRC校验码0100替换原始帧101100110000后面的四个“0”，得到新帧101100110100。再把这个新帧发送到接收端。
（4）当以上新帧到达接收端后，接收端会把这个新帧再用上面选定的除数11001以“模2除法”方式去除，验证余数是否为0，如果为0，则证明该帧数据在传输过程中没有出现差错，否则出现了差错。

源码详见：http://download.csdn.net/detail/onroads/9752918