如何選擇CRC校驗(yàn)碼的長(zhǎng)度？

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來(lái)源于小伙伴提問(wèn)。

選擇CRC校驗(yàn)碼的長(zhǎng)度時(shí)確實(shí)需要在檢錯(cuò)能力和系統(tǒng)開(kāi)銷之間做出權(quán)衡。CRC碼的長(zhǎng)度（通常是4、8、16、32位）直接影響到能檢測(cè)到的錯(cuò)誤類型和概率。

要確定在一定檢錯(cuò)概率 p 下的最小CRC長(zhǎng)度，可以從幾個(gè)方面入手，包括信息長(zhǎng)度 n、錯(cuò)誤檢測(cè)概率需求 p、以及CRC多項(xiàng)式的選擇。

下面從理論背景、實(shí)用方法以及計(jì)算步驟等方面詳細(xì)解釋。

CRC（Cyclic Redundancy Check）使用一個(gè)特定的生成多項(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行余數(shù)計(jì)算，產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)碼。

接收端利用相同的多項(xiàng)式重算余數(shù)，如果余數(shù)為零則判定無(wú)誤差，否則判定出錯(cuò)。

對(duì)于不同長(zhǎng)度的CRC碼，其生成多項(xiàng)式能探測(cè)不同類型的錯(cuò)誤：

• 單比特錯(cuò)誤：任何CRC都能檢測(cè)單比特錯(cuò)誤。

• 連續(xù)位翻轉(zhuǎn)的突發(fā)錯(cuò)誤：長(zhǎng)度為 k 位的CRC最多可以檢測(cè)到長(zhǎng)度不超過(guò) k 位的突發(fā)錯(cuò)誤。

• 隨機(jī)錯(cuò)誤：概率與CRC碼的位數(shù)有關(guān)。

CRC的檢錯(cuò)概率可以近似通過(guò)以下公式進(jìn)行估算：

其中 k為CRC校驗(yàn)碼的位數(shù)。

例如，對(duì)于一個(gè)8位的CRC碼，理論上可檢測(cè)到的錯(cuò)誤概率約為 1?1/256=0.996。從公式中可以看出，位數(shù)越多，檢錯(cuò)概率越高。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以通過(guò)以下步驟來(lái)確定CRC的位數(shù)：確定目標(biāo)檢錯(cuò)概率：假設(shè)我們要求的檢錯(cuò)概率 Pdetect≥p。

代入公式并求出位數(shù)：我們可以重新排列公式來(lái)得到最小的CRC位數(shù)：

例如，若我們希望檢錯(cuò)概率 p=0.999，則：

這意味著至少需要10位的CRC才能滿足這個(gè)檢錯(cuò)概率。

考慮信息長(zhǎng)度 n：雖然理論上，CRC的檢錯(cuò)能力與信息長(zhǎng)度 n 不直接相關(guān)，但在極長(zhǎng)的幀中，可能會(huì)遇到極端情況。

因此，當(dāng) n 非常大（如數(shù)百甚至上千位）時(shí)，建議增加1-2位以提高穩(wěn)健性。

• 短數(shù)據(jù)幀（如10-100比特）：通常8位的CRC碼已經(jīng)可以提供很高的檢錯(cuò)概率，適合普通通信應(yīng)用。

• 中等數(shù)據(jù)幀（100-1000比特）：16位的CRC是更合適的選擇，適合要求較高檢錯(cuò)概率的協(xié)議。

• 長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀（1000比特以上）：32位CRC可以提供極高的檢錯(cuò)能力，多用于高可靠性的工業(yè)、通信或存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

假設(shè)你設(shè)計(jì)的協(xié)議需要保證檢錯(cuò)概率不低于 p=0.999，且每幀數(shù)據(jù)為 n=500 比特。

根據(jù)上面的公式，我們計(jì)算得到的最小位數(shù)約為10位；結(jié)合數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，實(shí)際應(yīng)用中推薦至少選擇12位甚至16位的CRC，以確保滿足高檢錯(cuò)需求。

進(jìn)一步的，標(biāo)準(zhǔn)CRC多項(xiàng)式（如CRC-16或CRC-32）經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證，在通信和存儲(chǔ)應(yīng)用中可靠性高，通常推薦直接采用這些標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式。

位數(shù)越長(zhǎng)的CRC校驗(yàn)碼，校驗(yàn)性能越好，但代價(jià)是數(shù)據(jù)包的開(kāi)銷和計(jì)算復(fù)雜性增大。

典型的實(shí)現(xiàn)中：

• 計(jì)算性能：硬件CRC加速器可以顯著降低較長(zhǎng)CRC的計(jì)算延遲。

• 通信開(kāi)銷：8位CRC增加的傳輸開(kāi)銷通常較小，但超過(guò)16位時(shí)，額外開(kāi)銷對(duì)低速通信協(xié)議影響較大。

綜合以上分析，為了在實(shí)際應(yīng)用中確定CRC碼長(zhǎng)度，建議的步驟如下：

• 根據(jù)要求的檢錯(cuò)概率計(jì)算最小位數(shù)。

• 考慮數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，適當(dāng)增加1-2位以提高穩(wěn)健性。

• 使用標(biāo)準(zhǔn)CRC多項(xiàng)式以確保通用性和可靠性。