循环冗余校验码CRC

CRC(Cyclic Redundancy Check)循环冗余校验码
  是常用的校验码,在早期的通信中运用广泛,因为早期的通信技术不够可靠(不可靠性的来源是通信技术决定的,比如电磁波通信时受雷电等因素的影响),不可靠的通信就会带来‘确认信息’的困惑,书上提到红军和蓝军通信联合进攻山下的敌军的例子,第一天红军发了条信息要蓝军第二天一起进攻,蓝军收到之后,发一条确认信息,但是蓝军担心的是‘确认信息’如果也不可靠而没有成功到达红军那里,那自己不是很危险?于是红军再发一条‘对确认的确认信息’,但同样的问题还是不能解决,红军仍然不敢贸然行动。
  对通信的可靠性检查就需要‘校验’,校验是从数据本身进行检查,它依靠某种数学上约定的形式进行检查,校验的结果是可靠或不可靠,如果可靠就对数据进行处理,如果不可靠,就丢弃重发或者进行修复。
  CRC码是由两部分组成,前部分是信息码,就是需要校验的信息,后部分是校验码,如果CRC码共长n个bit,信息码长k个bit,就称为(n,k)码。 它的编码规则是:
  1、首先将原信息码(kbit)左移r位(k+r=n)

  2、运用一个生成多项式g(x)(也可看成二进制数)用模2除上面的式子,得到的余数就是校验码。

  非常简单,要说明的:模2除就是在除的过程中用模2加,模2加实际上就是我们熟悉的异或运算,就是加法不考虑进位,公式是:
  0+0=1+1=0,1+0=0+1=1
  即‘异’则真,‘非异’则假。
  由此得到定理:a+b+b=a 也就是‘模2减’和‘模2加’直值表完全相同。

  有了加减法就可以用来定义模2除法,于是就可以用生成多项式g(x)生成CRC校验码。

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。

例如: g(x)=x^4+x^3+x^2+1,(7,3)码,信息码110产生的CRC码就是:
  对于g(x)=x^4+x^3+x^2+1的解释:(都是从右往左数)x4就是第五位是1,因为没有x1所以第2位就是0。
  11101 | 110,0000(设a=11101 ,b=1100000)
  取b的前5位11000跟a异或得到101
  101加上b没有取到的00得到10100
  然后跟a异或得到01001
  也就是余数1001
  余数是1001,所以CRC码是110,1001
  标准的CRC码是,CRC-CCITT和CRC-16,它们的生成多项式是:
  CRC-CCITT=x^16+x^12+x^5+1
  CRC-16=x^16+x^15+x^2+1

【例】假设使用的生成多项式是G(x)=x^3+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)=x^3+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100,011…,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=x^16+x^15+x^2+1 和 CRC-CCITT=x^16+x^15+x^2+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)。



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