Cyclic Redundancy Check循環備援檢驗,是基于資料計算一組效驗碼,用于核對資料傳輸過程中是否被更改或傳輸錯誤。
算法原理
假設資料傳輸過程中需要發送15位的二進制資訊g=101001110100001,這串二進制碼可表示為代數多項式g(x) = x^14 + x^12 + x^9 + x^8 + x^7 + x^5 + 1,其中g中第k位的值,對應g(x)中x^k的系數。将g(x)乘以x^m,既将g後加m個0,然後除以m階多項式h(x),得到的(m-1)階餘項r(x)對應的二進制碼r就是CRC編碼。
h(x)可以自由選擇或者使用國際通行标準,一般按照h(x)的階數m,将CRC算法稱為CRC-m,比如CRC-32、CRC-64等。國際通行标準可以參看http://en.wikipedia.org/wiki/Cyclic_redundancy_check
g(x)和h(x)的除運算,可以通過g和h做xor(異或)運算。比如将11001與10101做xor運算:
明白了xor運算法則後,舉一個例子使用CRC-8算法求101001110100001的效驗碼。CRC-8标準的h(x) = x^8 + x^7 + x^6 + x^4 + x^2 + 1,既h是9位的二進制串111010101。
經過疊代運算後,最終得到的r是10001100,這就是CRC效驗碼。
通過示例,可以發現一些規律,依據這些規律調整算法:
1. 每次疊代,根據gk的首位決定b,b是與gk進行運算的二進制碼。若gk的首位是1,則b=h;若gk的首位是0,則b=0,或者跳過此次疊代,上面的例子中就是碰到0後直接跳到後面的非零位。
2. 每次疊代,gk的首位将會被移出,是以隻需考慮第2位後計算即可。這樣就可以舍棄h的首位,将b取h的後m位。比如CRC-8的h是111010101,b隻需是11010101。
3. 每次疊代,受到影響的是gk的前m位,是以建構一個m位的寄存器S,此寄存器儲存gk的前m位。每次疊代計算前先将S的首位抛棄,将寄存器左移一位,同時将g的後一位加入寄存器。若使用此種方法,計算步驟如下:
※藍色表示寄存器S的首位,是需要移出的,b根據S的首位選擇0或者h。黃色是需要移入寄存器的位。S'是經過位移後的S。
查表法
同樣是上面的那個例子,将資料按每4位組成1個block,這樣g就被分成6個block。
下面的表展示了4次疊代計算步驟,灰色背景的位是儲存在寄存器中的。
經4次疊代,B1被移出寄存器。被移出的部分,不我們關心的,我們關心的是這4次疊代對B2和B3産生了什麼影響。注意表中紅色的部分,先作如下定義:
B23 = 00111010
b1 = 00000000
b2 = 01010100
b3 = 10101010
b4 = 11010101
b' = b1 xor b2 xor b3 xor b4
4次疊代對B2和B3來說,實際上就是讓它們與b1,b2,b3,b4做了xor計算,既:
B23 xor b1 xor b2 xor b3 xor b4
可以證明xor運算滿足交換律和結合律,于是:
B23 xor b1 xor b2 xor b3 xor b4 = B23 xor (b1 xor b2 xor b3 xor b4) = B23 xor b'
b1是由B1的第1位決定的,b2是由B1疊代1次後的第2位決定(既是由B1的第1和第2位決定),同理,b3和b4都是由B1決定。通過B1就可以計算出b'。另外,B1由4位組成,其一共2^4有種可能值。于是我們就可以想到一種更快捷的算法,事先将b'所有可能的值,16個值可以看成一個表;這樣就可以不必進行那4次疊代,而是用B1查表得到b'值,将B1移出,B3移入,與b'計算,然後是下一次疊代。
可看到每次疊代,寄存器中的資料以4位為機關移入和移出,關鍵是通過寄存器前4位查表獲得
,這樣的算法可以大大提高運算速度。
上面的方法是半位元組查表法,另外還有單位元組和雙位元組查表法,原理都是一樣的——事先計算出2^8或2^16個b'的可能值,疊代中使用寄存器前8位或16位查表獲得b'。
反向算法
之前讨論的算法可以稱為正向CRC算法,意思是将g左邊的位看作是高位,右邊的位看作低位。G的右邊加m個0,然後疊代計算是從高位開始,逐漸将低位加入到寄存器中。在實際的資料傳送過程中,是一邊接收資料,一邊計算CRC碼,正向算法将新接收的資料看作低位。
逆向算法顧名思義就是将左邊的資料看作低位,右邊的資料看作高位。這樣的話需要在g的左邊加m個0,h也要逆向,例如正向CRC-16算法h=0x4c11db8,逆向CRC-16算法h=0xedb88320。b的選擇0還是h,由寄存器中右邊第1位決定,而不是左邊第1位。寄存器仍舊是向左位移,就是說疊代變成從低位到高位。