循环冗余校验码（CRC）应用总结(包括C++源码)

 最近在实习期间需要用到数据的校验，所选为CRC16，那么就在此总结一番吧。

现在此说明下什么是CRC：循环冗余码校验 英文名称为Cyclical Redundancy Check，简称CRC，它是利用除法及余数的原理来作错误侦测（Error Detecting）的。实际应用时，发送装置计算出CRC值并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通讯出现错误

那么其实CRC有比较多种，比如CRC16、CRC32 ，为什么叫16、32呢。在这里并非与位有和关系。而是由所确定的多项式最高次幂确定的。如下所示。理论上讲幂次越高校验效果越好。

  CRC(12位) =X12+X11+X3+X2+X+1

　　CRC(16位) = X16+X15+X2+1

　　CRC(CCITT) = X16+X12 +X5+1

　　CRC(32位) = X32+X26+X23+X16+X12+X11+X10+ X8+X7+X5+X4+X2+X+1

循环冗余校验码（CRC）的基本原理是：在K位信息码后再拼接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：假设发送信息用信息多项式C(X)表示，将C(x)左移R位，则可表示成C(x)*2R，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。通过C(x)*2R除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。

几个基本概念

1、多项式与二进制数码

多项式和二进制数有直接对应关系：x的最高幂次对应二进制数的最高位，以下各位对应多项式的各幂次，有此幂次项对应1，无此幂次项对应0。可以看出：x的最高幂次为R，转换成对应的二进制数有R+1位。

多项式包括生成多项式G(x)和信息多项式C(x)。

如生成多项式为G(x)=x4+x3+x+1， 可转换为二进制数码11011。

而发送信息位 1111，可转换为数据多项式为C(x)=x3+x2+x+1。

2、生成多项式

是接受方和发送方的一个约定，也就是一个二进制数，在整个传输过程中，这个数始终保持不变。

在发送方,利用生成多项式对信息多项式做模2除生成校验码。在接受方利用生成多项式对收到的编码多项式做模2除检测和确定错误位置。

应满足以下条件：

a、生成多项式的最高位和最低位必须为1。

b、当被传送信息（CRC码）任何一位发生错误时，被生成多项式做模2除后应该使余数不为0。

c、不同位发生错误时，应该使余数不同。

d、对余数继续做模2除，应使余数循环。

将这些要求反映为数学关系是比较复杂的。但可以从有关资料查到常用的对应于不同码制的生成多项式如图9所示：

N           K           码距d           G(x)多项式           G(x)

7           4           3           x3+x+1           1011

7           4           3           x3+x2+1           1101

7           3           4           x4+x3+x2+1           11101

7           3           4           x4+x2+x+1           10111

15           11           3           x4+x+1           10011

15           7           5           x8+x7+x6+x4+1           111010001

31           26           3           x5+x2+1           100101

31           21           5           x10+x9+x8+x6+x5+x3+1           11101101001

63           57           3           x6+x+1           1000011

63           51           5           x12+x10+x5+x4+x2+1           1010000110101

1041           1024           　           x16+x15+x2+1           11000000000000101

图9 常用的生成多项式

3、模2除（按位除）

模2除做法与算术除法类似，但每一位除（减）的结果不影响其它位，即不向上一位借位。所以实际上就是异或。然后再移位移位做下一位的模2减。步骤如下：

a、用除数对被除数最高几位做模2减，没有借位。

b、除数右移一位，若余数最高位为1，商为1，并对余数做模2减。若余数最高位为0，商为0，除数继续右移一位。

c、一直做到余数的位数小于除数时，该余数就是最终余数。

【例】1111000除以1101：

1011———商

————

1111000-----被除数

1101———— 除数

————

010000

1101

————

01010

1101

————

111————余数

CRC码的生成步骤

1、将x的最高幂次为R的生成多项式G(x)转换成对应的R+1位二进制数。

2、将信息码左移R位，相当与对应的信息多项式C(x)*2R

3、用生成多项式（二进制数）对信息码做模2除，得到R位的余数。

4、将余数拼到信息码左移后空出的位置，得到完整的CRC码。

【例】假设使用的生成多项式是G(x)=x3+x+1。4位的原始报文为1010，求编码后的报文。

解：

1、将生成多项式G(x)=x3+x+1转换成对应的二进制除数1011。

2、此题生成多项式有4位（R+1），要把原始报文C(x)左移3（R）位变成1010000

3、用生成多项式对应的二进制数对左移4位后的原始报文进行模2除：

1001-------商

------------------------

1010000

1011----------除数

------------

1000

1011

------------

011-------余数（校验位）

5、编码后的报文（CRC码）：

1010000

+          011

------------------

1010011

CRC的和纠错

在接收端收到了CRC码后用生成多项式为G(x)去做模2除，若得到余数为0,则码字无误。若如果有一位出错，则余数不为0，而且不同位出错，其余数也不同。可以证明，余数与出错位的对应关系只与码制及生成多项式有关，而与待测碼字（信息位）无关。图10给出了G(x)＝1011，C(x)＝1010的出错模式，改变C(x)（码字），只会改变表中码字内容，不改变余数与出错位的对应关系。

　           收到的CRC码字           余数           出错位

码位           A7           A6           A5           A4           A3           A2           A1

                

正确           1           0           1           0           0           1           1

           000           无

错 误           1           0           1           0           0           1           0

1           0           1           0           0           0           1

1           0           1           0           1           1           1

1           0           1           1           0           1           1

1           0           0           0           0           1           1

1           1           1           0           0           1           1

0           0           1           0           0           1           1

           001010100011110111101           1234567

图10 （7，4）CRC码的出错模式（G(x)＝1011）

如果循环码有一位出错，用G(x)作模2除将得到一个不为0的余数。如果对余数补0继续除下去，我们将发现一个有趣的结果；各次余数将按图10顺序循环。例如第一位出错，余数将为001，补0后再除，第二次余数为010，以后依次为100，0ll…，反复循环，这就是“循环码”名称的由来。这是一个有价值的特点。如果我们在求出余数不为0后，一边对余数补0继续做模2除，同时让被检测的校验码字循环左移。图10说明，当出现余数(101)时，出错位也移到A7位置。可通过异或门将它纠正后在下一次移位时送回A1。这样我们就不必像海明校验那样用译码电路对每一位提供纠正条件。当位数增多时，循环码校验能有效地降低硬件代价，这是它得以广泛应用的主要原因。

通信与网络中常用的CRC

在数据通信与网络中，通常k相当大，由一千甚至数千数据位构成一帧，而后采用CRC码产生r位的校验位。它只能检测出错误，而不能纠正错误。一般取r=16，标准的16位生成多项式有CRC-16＝x16+x15+x2+1 和 CRC-CCITT＝x16+x15+x2+1。

一般情况下，r位生成多项式产生的CRC码可检测出所有的双错、奇数位错和突发长度小于等于r的突发错以及（1-2-(r-1)）的突发长度为r+1的突发错和（1-2-r）的突发长度大于r+1的突发错。例如，对上述r=16的情况，就能检测出所有突发长度小于等于16的突发错以及99．997%的突发长度为17的突发错和99．998%的突发长度大于17的突发错。所以CRC码的检错能力还是很强的。这里，突发错误是指几乎是连续发生的一串错，突发长度就是指从出错的第一位到出错的最后一位的长度(但是，中间并不一定每一位都错)。

【例1】某循环冗余码（CRC）的生成多项式 G(x)＝x3+x2+1，用此生成多项式产生的冗余位，加在信息位后形成 CRC 码。若发送信息位 1111 和 1100 则它的 CRC 码分别为＿A＿和＿B＿。由于某种原因，使接收端收到了按某种规律可判断为出错的 CRC 码，例如码字＿C＿、＿D＿、和＿E＿。（1998年试题11）

供选择的答案

A：① lllll00           ② 1111101           ③ 1111110           ④ 1111111

B：① 1100100           ② 1100101           ③ 1100110           ④ 1100111

C～E：① 0000000           ② 0001100           ③ 0010111        

         ⑤ 1000110           ⑥ 1001111           ⑦ 1010001           ⑧ 1011000

解：

A：G(x)＝1101，C(x)＝1111 C(x)*23÷G(x)＝1111000÷1101＝1011余111

得到的CRC码为1111111

B：G(x)＝1101，C(x)＝1100 C(x)*23÷G(x)＝1100000÷1101＝1001余101

得到的CRC码为1100101

C～E：

分别用G(x)＝1101对①～⑧ 作模2除: ① 0000000÷1101 余000     ② 1111101÷1101 余001

③ 0010111÷1101 余000     ④ 0011010÷1101 余000     ⑤ 1000110÷1101 余000

⑥ 1001111÷1101 余100     ⑦ 1010001÷1101 余000     ⑧ 1011000÷1101 余100

所以＿C＿、＿D＿和＿E＿的答案是②、⑥、⑧

【例2】计算机中常用的一种检错码是CRC，即 _A_ 码。在进行编码过程中要使用 _B_ 运算。假设使用的生成多项式是 G(X)=X4+X3+X+1， 原始报文为11001010101，则编码后的报文为 _C_ 。CRC码 _D_ 的说法是正确的。

在无线电通信中常采用它规定码字长为7位．并且其中总有且仅有3个“1”。这种码的编码效率为_E_。

供选择的答案：

A：① 水平垂直奇偶校验                        ② 循环求和                           ③ 循环冗余                           ④正比率

B：① 模2除法                        ②定点二进制除法                      ③二－十进制除法                    ④循环移位法

C：① 1100101010111              ② 110010101010011         ③ 110010101011100         ④ 110010101010101

D：① 可纠正一位差错                                                   ②可检测所有偶数位错

③ 可检测所有小于校验位长度的突发错                     ④可检测所有小于、等于校验位长度的突发错

E：① 3/7          ② 4/7          ③ log23/log27        ④ (log235)/7

解：从前面有关CRC的论述中可得出：     A：③ 循环冗余     B：① 模2除法

C：G(x)＝11011，C(x)＝11001010101，C(x)*24÷G(x)＝110010101010000÷11011 余0011

得到的CRC码为② 110010101010011

D：从前面有关通信与网络中常用的CRC的论述中可得出：④ 可检测所有小于、等于校验位长度的突发错

E：定比码又叫定重码，是奇偶校验的推广。在定比码中，奇数或偶数的性质保持不变，然而附加一种限制，每个字中1的总数是固定的。随用途之不同，定比码要求的附加校验位可能多于一个，但较之单一的奇偶校验将增加更多的检错能力。

所谓7中取3定比码，就是整个码字长度为7位，其中1的位数固定为3。所有128个7位代码（0000000～1111111）中只有1的位数固定为3的才是其合法码字。可以用求组合的公式求出其合法码字数为：C73＝7!/(3!*(7-3)!)＝7*6*5/(1*2*3)＝35

编码效率＝合法码字所需位数/码字总位数＝(log235)/7

而对于CRC的实现有两种方式，分别为多项式和查表法

下面先讲讲多余多项式的实现，附代码如下

/*  
 *  函数名：GetCrc32  
 *  函数原型：unsigned int GetCrc32(char* InStr,unsigned int len)  
 *      参数：InStr  ---指向需要计算CRC32值的字符串  
 *          len  ---为InStr的长度  
 *      返回值为计算出来的CRC32结果。  
 *  
 *  函数名：GetCrc16  
 *  函数原型：unsigned short GetCrc16(char* InStr,unsigned int len)  
 *      参数：InStr  ---指向需要计算CRC32值的字符串  
 *          len  ---为InStr的长度  
 *      返回值为计算出来的CRC32结果。  
 *  
 *    2009/03/26   Edit By iawen  
 *  
 */  
  
unsigned int GetCrc32(char* InStr,unsigned int len){      
  //生成Crc32的查询表   
  unsigned int Crc32Table[256];    
  int i,j;      
  unsigned int Crc;      
  for (i = 0; i < 256; i++){      
    Crc = i;      
    for (j = 0; j < 8; j++){      
      if (Crc & 1)      
        Crc = (Crc >> 1) ^ 0xEDB88320;      
      else     
        Crc >>= 1;    
    }      
    Crc32Table[i] = Crc;      
  }      
  
  //开始计算CRC32校验值   
  Crc=0xffffffff;      
  for(int i=0; i<len; i++){        
    Crc = (Crc >> 8) ^ Crc32Table[(Crc & 0xFF) ^ InStr[i]];      
  }   
     
  Crc ^= 0xFFFFFFFF;   
  return Crc;      
}      
  
unsigned short GetCrc16(char* InStr,unsigned int len){      
  //生成Crc16的查询表   
  unsigned short Crc16Table[256];    
  unsigned int i,j;   
  unsigned short Crc;      
  for (i = 0; i < 256; i++)
  {     
    Crc = i;      
    for (j = 0; j < 8; j++)
	{      
      if(Crc & 0x1)      
        Crc = (Crc >> 1) ^ 0xA001;      
      else     
        Crc >>= 1;    
    }      
    Crc16Table[i] = Crc;      
  }   
     
  //开始计算CRC16校验值   
  Crc=0x0000;        
  for(i=0; i<len; i++){        
    Crc = (Crc >> 8) ^ Crc16Table[(Crc & 0xFF) ^ InStr[i]];     
  
  }   
  //Crc ^= 0x0000;     
  return Crc;      
}    
#include<iostream>     
using namespace std;   
  
int main()
{   
  char str[]="iawen";   
  unsigned int crc;
  //crc 32校验
  crc=GetCrc32(str,5);   
     
  printf("%08X\n",crc);   
  //crc 16校验
  crc=GetCrc16(str,5);//0x5359   
  //printf("%04X\n",crc);   
  system("pause");
  return 0;   
} 

对于查表法，过几天小弟弄熟悉了再发上来吧。呵呵  ^_^