CRC循环冗余校验码

CRC校验是一种广泛用于数据传输错误检测的编码技术,它通过模2除法计算校验码,能有效发现数据传输中的错误。本文详细介绍了CRC的工作原理,包括如何进行模2除法计算,以及生成多项式的选择。通过实例展示了CRC校验码的生成过程,揭示了在数据后补0的原因。尽管CRC不具备纠错能力,但其检错效率高,常用于网络通信和存储系统等领域。

cyclic redundancy check
CRC 循环冗余校验码
奇偶校验其实就是CRC校验的一种特例
循环冗余校验码由信息码n位和校验码k位构成。k位校验位拼接在n位数据位后面,n+k为循环冗余校验码的字长
具有检错、纠错能力的校验码
模二除法(模二除法的结果不等于普通除法)
当部分余数首位是1时商取1,反之商取0。然后每一位的减法运算是按位减,不产生借位
例如:
在这里插入图片描述
如果要传输的数据为:1101011011

除数设为:10011

在计算前先将原始数据后面填上4个0:11010110110000,之所以要补0,后面再做解释。
在这里插入图片描述

从这个例子可以看出,采用了模2的加减法后,不需要考虑借位的问题,所以除法变简单了。最后得到的余数就是CRC 校验字。为了进行CRC运算,也就是这种特殊的除法运算,必须要指定个被除数,在CRC算法中,这个被除数有一个专有名称叫做“生成多项式”。
生成多项式的最高阶数,就是要补0的个数。
生成多项式的选取是个很有难度的问题,如果选的不好,那么检出错误的概率就会低很多。好在这个问题已经被专家们研究了很长一段时间了,对于我们这些使用者来说,只要把现成的成果拿来用就行了。
计算方法:
1.计算冗余位的位数,即生成多项式的最高阶数

2.在信息位后补冗余位个数的0

3.将第二步的结果与生成多项式相除,这里采用的除法叫做模2除法,就是只要部分余数的高位为1,便可商1 之后上下做的减法是异或。

4.经过第三步不断地计算后得到余数
将信息为后面补的0换成余数

### CRC循环冗余校验码的作用和应用场景 #### CRC的基本用途 循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check,CRC)是一种用于检测数据传输或存储过程中是否发生错误的数学校验方法。其核心思想是基于多项式除法,通过在发送端计算数据的校验码,并将该附加在原始数据之后一起传输,在接收端重新计算校验码并与接收到的校验码进行比较,从而判断数据是否被损坏 [^1]。 CRC的主要用途包括: - **数据完整性验证**:确保数据在传输过程中没有被意外修改或损坏。例如,在以太网通信中,每个数据帧都附带一个32位的CRC校验码,用于验证帧的完整性 [^2]。 - **错误检测**:广泛应用于通信协议和存储系统中,用于检测数据传输中的随机错误,例如噪声干扰或硬件故障引起的位翻转 [^3]。 - **数据包校验**:在数据链路层和网络层中,CRC用于确保数据包的正确性,防止因传输错误导致的数据丢失或损坏 [^4]。 #### CRC在数据传输中的作用 在数据通信中,CRC的作用主要体现在以下几个方面: - **提高通信可靠性**:通过在接收端验证CRC校验码,可以有效识别传输过程中出现的错误,从而避免使用错误数据导致系统异常 [^5]。 - **减少数据重传次数**:虽然CRC本身不能纠正错误,但通过检测错误,可以及时请求数据重传,从而提高整体通信效率 [^6]。 - **增强数据安全性**:尽管CRC不能替代加密技术,但在某些场景下可以作为辅助手段,用于检测数据是否被篡改 [^7]。 #### CRC的典型应用场景 - **通信协议**:如以太网(Ethernet)、USB、蓝牙、Wi-Fi等标准协议中均使用CRC进行数据校验 [^8]。 - **文件系统与存储设备**:Btrfs、ZFS等现代文件系统利用CRC确保数据块的完整性;硬盘、SSD等存储设备也使用CRC检测读写错误 [^9]。 - **嵌入式系统与工业控制**:在PLC(可编程逻辑控制器)、CAN总线通信中,CRC用于确保控制指令的正确性,防止因数据错误导致设备故障 [^10]。 - **软件开发与数据压缩**:ZIP、PNG、MPEG等文件格式中使用CRC32校验数据完整性,确保文件未被损坏 [^11]。 #### CRC校验的实现示例 以下是一个使用Python计算CRC32校验码的示例: ```python import zlib data = b"Hello, world!" crc = zlib.crc32(data) & 0xFFFFFFFF print(f"CRC32: {crc:08X}") ``` 该代使用了Python的`zlib`库计算数据的CRC32值,并以十六进制格式输出结果。
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