前言:
当前兄弟们对“pythoncrc16”大体比较注意,大家都需要知道一些“pythoncrc16”的相关资讯。那么小编同时在网络上收集了一些对于“pythoncrc16””的相关内容,希望姐妹们能喜欢,同学们快快来学习一下吧!序
CRC的全称是循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check),具体的描述可以参考:百度百科:CRC (循环冗余校验),地址为:
网上各种各样的讲CRC的内容够多了,本篇文章的目的在于用最简单的方式讲清楚CRC,重在科普、实战和应用,并给出代码实现,数学好的同学不要找我抬杠,谢谢!
CRC的本质是什么?
CRC的目的是保证数据的完整性,其方法是在发送数据的后面再增加多余的若干位数据,接收方使用同样的CRC计算方法,检查接收到的数据CRC是否为0:
如果为0,则表示数据是完整的,接收方可以开开心心的去处理这个数据。如果不为0,则表示数据不完整/出错,接收方就需要处理下这个数据(一般是丢弃/要求重发)。
那么CRC的核心算法就是如何通过一堆“发送数据”,来计算“多余的若干数据”。
CRC采用的策略是用除法求余数,这就是CRC算法的本质。
不同于十进制的除法运算,CRC用的是二进制的除法运算,二进制的除法运算,属于模二运算,模二运算的特点是:没有进位。
模二加法:0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0
模二减法:0-0=0 0-1=1 1-0=1 1-1=0
模二乘法:0x0=0 0x1=0 1x0=0 1x1=1
模二除法:是模二乘法的逆运算,参见下图示例
好了,这里我们先给一个例子,我们来计算0x1C的CRC8的校验结果:
如上图,在这个示例中:
CRC8的多项式是x8+x2+x+1,对应的除数就是二进制100000111被除数是0x1C,转化成二进制就是00011100CRC8为8位,被除数后面补8个0最后的计算结果是0x54CRC的细节
在上一小节中,我们给出了一个简单的CRC8的例子,细心的同学可能看到了,这里面还有初始值,结果异或值,输入数据反转和输出数据反转,都是什么呢?
简单而言:
初始值是给CRC计算一个初始值,可以是0,也可以是其他值;结果异或值是把计算结果再异或某一个值;这么做的目的是防止全0数据的CRC一直为0。输入数据反转是指输入数据以字节为单位按位逆序处理;输出数据反转是指CRC计算结果整体按位逆序处理;这么做的目的我看到的一个合理解释是右移比左移更容易计算,效率高,它跟大小端无关。
我们再把上面CRC8的例子分解开来看,把CRC校验码如何计算的细节讲清楚:
第一步,我们列出除数,被除数。
第二步,CRC8的输入数据反转为False,所以0x1C仍然是:00011100。
第三步,CRC8补8个0。
第四步,CRC8先计算初始值(0x00),此时被除数保持不变。
第五步,进行模二除法运算,得到结果(0101 0100)。
第六步,CRC8的输出数据反转为False,所以计算结果仍然是:0101 0100。
第七步,CRC的输出异或值(0x00),结果保持不变,最终结果为0x54。
因为模二加减运算的特性,一般计算数包括全0时,步骤可以省略:
初始值为全0时,被除数不变。结果异或值为0时,结果不变。
如果大家学习过异或操作,可以看到模二加减法实际上就是异或操作,这也是CRC很容易在实际中应用的数学基础。
下面给出了其他的几个示例,包括了数据反转,初始化值和结果异或值,弄清楚了这些例子,CRC就完全搞清楚了。
CRC4-itu,多项式:x4+x+1,输入数据反转,输出数据反转,初始值0x00,输出异或值0x00。
0x1C的CRC4-itu校验码为0x2。
CRC16-modbus,多项式:x16+x15+x2+1,输入数据反转,输出数据反转,初始值0xFFFF,输出异或值0x0000。
0x1C的CRC16-modbus校验码为0x89EB。
CRC5-usb,多项式:x5+x2+1,输入数据反转,输出数据反转,初始值0x1F,输出异或值0x1F。
0x1C的CRC5-usb校验码为0x0D。
总结一下计算CRC的二进制除法过程:
如果输入数据反转为True,对输入数据按字节进行反转作为被除数;否则直接将输入数据作为被除数。被除数补0,CRC码为几位就补几个0,CRC4补4个0,CRC5补5个0,...,CRC32补32个0。如果初始值不为0,第一步计算需要先把被除数同初始值做模二加法运算(异或)。进行二进制除法运算,求得余数,得到结果。如果结果异或值不为0,那么最后的结果需要同结果异或值做异或运算。如果输出数据反转为True,那么最终的结果还需要按位进行反转。
最后给一个0x1C2D(2字节)的CRC4-itu示例,供参考。
CRC优化-crc表
由于CRC的计算过程中需要不停的循环做异或运算,占用CPU较多,算法上有一种空间换时间的做法:提前把0x00-0xFF共256个数据的CRC码提前算好保存,那么计算时可以节省CPU,这个提前算好的表叫CRC表(CRC表仅与多项式有关)。
这里特别需要说明下,为什么CRC表仅与多项式有关?
如果你理解了CRC的原理,会发现:输入初始值,输入数据反转,输出数据反转,结果异或值都是跟输入输出数据相关的,那么CRC表(指通用的CRC表)仅仅只与多项式(Poly)有关。
但我们在应用中受资源限制,一般会做一些处理,即:把输入数据反转和输出数据反转体现到CRC表中。
我们先来说说CRC表的生成示例,网上给的CRC16表一般是2种,一种最后两个分别是0x0ED1和0x1EF0,另外一种最后两个分别是0x8081和0x4040,实际上这两个分别对应的是CRC16/CCITT_FALSE和CRC16/MODBUS。
看懂了如上的计算原理,那么CRC表的原理就很清楚了;修改算法参数,就可以生成任意的CRC表。
下面给出常用的CRC16的示例和生成CRC的代码,供参考:
private static ushort[] crc16_table_0x1021 ={ 0x0000, 0x1021, 0x2042, 0x3063, 0x4084, 0x50A5, 0x60C6, 0x70E7, 0x8108, 0x9129, 0xA14A, 0xB16B, 0xC18C, 0xD1AD, 0xE1CE, 0xF1EF, 0x1231, 0x0210, 0x3273, 0x2252, 0x52B5, 0x4294, 0x72F7, 0x62D6, 0x9339, 0x8318, 0xB37B, 0xA35A, 0xD3BD, 0xC39C, 0xF3FF, 0xE3DE, 0x2462, 0x3443, 0x0420, 0x1401, 0x64E6, 0x74C7, 0x44A4, 0x5485, 0xA56A, 0xB54B, 0x8528, 0x9509, 0xE5EE, 0xF5CF, 0xC5AC, 0xD58D, 0x3653, 0x2672, 0x1611, 0x0630, 0x76D7, 0x66F6, 0x5695, 0x46B4, 0xB75B, 0xA77A, 0x9719, 0x8738, 0xF7DF, 0xE7FE, 0xD79D, 0xC7BC, 0x48C4, 0x58E5, 0x6886, 0x78A7, 0x0840, 0x1861, 0x2802, 0x3823, 0xC9CC, 0xD9ED, 0xE98E, 0xF9AF, 0x8948, 0x9969, 0xA90A, 0xB92B, 0x5AF5, 0x4AD4, 0x7AB7, 0x6A96, 0x1A71, 0x0A50, 0x3A33, 0x2A12, 0xDBFD, 0xCBDC, 0xFBBF, 0xEB9E, 0x9B79, 0x8B58, 0xBB3B, 0xAB1A, 0x6CA6, 0x7C87, 0x4CE4, 0x5CC5, 0x2C22, 0x3C03, 0x0C60, 0x1C41, 0xEDAE, 0xFD8F, 0xCDEC, 0xDDCD, 0xAD2A, 0xBD0B, 0x8D68, 0x9D49, 0x7E97, 0x6EB6, 0x5ED5, 0x4EF4, 0x3E13, 0x2E32, 0x1E51, 0x0E70, 0xFF9F, 0xEFBE, 0xDFDD, 0xCFFC, 0xBF1B, 0xAF3A, 0x9F59, 0x8F78, 0x9188, 0x81A9, 0xB1CA, 0xA1EB, 0xD10C, 0xC12D, 0xF14E, 0xE16F, 0x1080, 0x00A1, 0x30C2, 0x20E3, 0x5004, 0x4025, 0x7046, 0x6067, 0x83B9, 0x9398, 0xA3FB, 0xB3DA, 0xC33D, 0xD31C, 0xE37F, 0xF35E, 0x02B1, 0x1290, 0x22F3, 0x32D2, 0x4235, 0x5214, 0x6277, 0x7256, 0xB5EA, 0xA5CB, 0x95A8, 0x8589, 0xF56E, 0xE54F, 0xD52C, 0xC50D, 0x34E2, 0x24C3, 0x14A0, 0x0481, 0x7466, 0x6447, 0x5424, 0x4405, 0xA7DB, 0xB7FA, 0x8799, 0x97B8, 0xE75F, 0xF77E, 0xC71D, 0xD73C, 0x26D3, 0x36F2, 0x0691, 0x16B0, 0x6657, 0x7676, 0x4615, 0x5634, 0xD94C, 0xC96D, 0xF90E, 0xE92F, 0x99C8, 0x89E9, 0xB98A, 0xA9AB, 0x5844, 0x4865, 0x7806, 0x6827, 0x18C0, 0x08E1, 0x3882, 0x28A3, 0xCB7D, 0xDB5C, 0xEB3F, 0xFB1E, 0x8BF9, 0x9BD8, 0xABBB, 0xBB9A, 0x4A75, 0x5A54, 0x6A37, 0x7A16, 0x0AF1, 0x1AD0, 0x2AB3, 0x3A92, 0xFD2E, 0xED0F, 0xDD6C, 0xCD4D, 0xBDAA, 0xAD8B, 0x9DE8, 0x8DC9, 0x7C26, 0x6C07, 0x5C64, 0x4C45, 0x3CA2, 0x2C83, 0x1CE0, 0x0CC1, 0xEF1F, 0xFF3E, 0xCF5D, 0xDF7C, 0xAF9B, 0xBFBA, 0x8FD9, 0x9FF8, 0x6E17, 0x7E36, 0x4E55, 0x5E74, 0x2E93, 0x3EB2, 0x0ED1, 0x1EF0,};
生成CRC表的代码如下:
private static ushort[] generate_crc16_table(ushort poly){ ushort crc; ushort[] table = new ushort[256]; for (int index = 0; index < 256; index++) { crc = (ushort)(index << 8); for (int i = 0; i < 8; i++) { if ((crc & 0x8000) != 0) { crc = (ushort)((crc << 1) ^ poly); } else { crc = (ushort)(crc << 1); } } table[index] = crc; } return table;}代码地址
gitee地址:
参考文献
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