Рейтинг@Mail.ru

Как посчитать контрольную сумму CRC32, CRC16, CRC8

автор:
Be the first to comment! Программирование
Print Friendly, PDF & Email

В интернете существует большое количество вариантов расчёта контрольной суммы CRC. Но что же собственно такое контрольная сумма и почему она рассчитывается именно так? Давайте разберёмся. А заодно напишем программу, которая будет рассчитывать CRC с заданными параметрами.

1Теория, лежащая в основе расчёта CRC

Для начала давайте немного разберёмся в теории. Итак, что же такое CRC? Если кратко, это одна из разновидностей подсчёта контрольной суммы. Контрольная сумма – это метод проверки целостности принятой информации на стороне приёмника при передаче по каналам связи. Например, одна из простейших проверок – использование бита чётности. Это когда суммируются все биты передаваемого сообщения, и если сумма оказывается чётной, то в конец сообщения добавляется 0, если нечётной – то 1. При приёме также подсчитывается сумма битов сообщения, и сравнивается с принятым битом чётности. Если они отличаются, значит при передаче возникли ошибки, и передаваемая информация была искажена.

Но такой способ определения наличия ошибок – очень неинформативный и срабатывает не всегда, т.к. при искажении нескольких битов сообщения, чётность суммы может не измениться. Поэтому существует множество более «продвинутых» проверок, в том числе CRC.

По сути, CRC – это не сумма, а результат деления некого объёма информации (информационного сообщения) на константу, а точнее – остаток от деления сообщения на константу. Тем не менее, CRC исторически также называют «контрольная сумма». В значение CRC вносит вклад каждый бит сообщения. То есть, если хотя бы один бит исходного сообщения изменится при передаче, контрольная сумма тоже изменится, причём существенно. Это большой плюс такой проверки, так как он позволяет однозначно определить, исказилось исходное сообщение при передаче или нет.

Что такое исходное сообщение – понятно. Это непрерывная последовательность битов произвольной длины.

Что за константа, на которую мы должны делить исходное сообщение? Это некоторое число также любой длины, но обычно используются числа, кратные 1 байту – 8, 16 или 32 бита. Просто так легче считать, ведь компьютеры работают именно с байтами, а не с битами.

Константу-делитель обычно записывают в виде полинома (многочлена) вот таким образом: x8 + x2 + x1 + x0. Здесь степень числа "x" означает позицию бита-единицы в числе, начиная с нулевой, а старший разряд указывает на степень полинома и отбрасывается при интерпретации числа. То есть записанное ранее число – это не что иное как (1)00000111 в двоичной системе счисления, или 7 в десятичной. В скобках я указал подразумеваемый старший разряд числа, его не принято писать.

Вот ещё пример: x16 + x15 + x2 + x0 = (1)1000000000000101 = 0x8005 = 32773.

Обычно используются некие стандартные многочлены для разных типов CRC. Вот некоторые из них:

Алгоритм CRCОбразующий многочлен
CRC-160x8005
CRC-16-CCITT0x1021
CRC-16-DNP0x3D65
CRC-32-IEEE 802.30x04C11DB7
CRC-32C0x1EDC6F41
CRC-32K0x741B8CD7

В статье Википедии, посвящённой расчёту CRC, есть большая таблица образующих полиномов.

Так как же считать контрольную сумму? Существует базовый метод – деление сообщения на полином «в лоб» – и его модификации в целях уменьшения количества вычислений и, соответственно, ускорения расчёта CRC. Для начала мы рассмотрим именно базовый метод.

В общем виде деление числа на многочлен выполняется по такому алгоритму. Алгоритм вычисления контрольной суммы CRC:

  1. Создаётся массив (регистр), заполненный нулями, равный по длине разрядности (степени) полинома.
  2. Исходное сообщение дополняется нулями в младших разрядах, в количестве, равном числу разрядов полинома.
  3. В младший разряд регистра заносится один старший бит сообщения, а из старшего разряда регистра выдвигается один бит.
  4. Если выдвинутый бит равен "1", то производится инверсия битов (операция XOR, исключающее ИЛИ) в тех разрядах регистра, которые соответствуют единицам в полиноме.
  5. Если в сообщении ещё есть биты, переходим к шагу 3).
  6. Когда все биты сообщения поступили в регистр и были обработаны этим алгоритмом, в регистре остаётся остаток от деления, который и является контрольной суммой CRC.

Назовём этот метод расчёта CRC метод побитового сдвига или простой метод.

Рисунок иллюстрирует деление исходной последовательности битов на число (1)00000111, или многочлен x8 + x2 + x1 + x0.

Схематичное представление вычисления CRC
Схематичное представление вычисления CRC на примере деления на многочлен x8 + x2 + x1 + x0

Кстати, проверить правильность расчёта CRC очень просто. В пункте (2) описанного алгоритма мы должны вместо дополнения исходного сообщения нулями дополнить его битами рассчитанной контрольной суммы, а остальное оставить как есть. Теперь остаток от деления дополненного сообщения на полином должен равняться нулю – это и есть признак верно рассчитанной контрольной суммы. Отличный от нуля остаток свидетельствует об ошибке.

Осталась ещё пара моментов, о которых стоит сказать. Как вы могли заметить, сообщение можно разделить на любое число. Как его выбрать? Существует ряд стандартных полиномов, которые используются при вычислении CRC. Например, для CRC32 это может быть число 0x04C11DB7, а для CRC16 это может быть 0x8005.

Кроме того, в регистр в начале вычислений можно записать не нули, а какое-то другое число. (И это рекомендуется делать: так повышается надёжность определения начала передачи сообщения, если, например, сообщение имеет в начале нулевые биты).

Также при расчётах непосредственно перед выдачей финальную контрольную сумму CRC можно поделить на какое-то другое число.

И последнее. Байты сообщения при записи в регистр могут помещаться как старшим битом «вперёд», так и наоборот, младшим. И результирующая CRC также может выдаваться, начиная со старшего бита или с младшего.

Изменение порядка битов в байте на обратный назовём «обращение», «реверс» или «отзеркаливание» байта.

Итого имеются 6 параметров, которые влияют на значение контрольной суммы:

  • порядок CRC;
  • образующий многочлен (его иногда называют «генераторный полином», переводя с английского буквально);
  • начальное содержимое регистра;
  • значение, с которым производится финальное XOR;
  • реверс байтов информационного сообщения;
  • реверс байтов CRC перед финальным XOR.

2Расчёт контрольной суммы CRC методом побитового сдвига

На основании всего вышеизложенного, давайте напишем функцию на языке Visual Basic .NET, которая будет рассчитывать контрольную сумму CRC, принимая ряд параметров, которые я описал выше, и возвращая значение CRC в виде 32-разрядного беззнакового числа.

Код расчёта CRC методом побитового сдвига на языке VB.NET
''' <summary>
''' Возвращает контрольную сумму типа CRC, рассчитанную методом побитового сдвига.
''' </summary>
''' <param name="bytes">Входная последовательность байтов (исходное сообщение).</param>
''' <param name="poly">Образующий многочлен разрядности <paramref name="width">width</paramref>.</param>
''' <param name="width">Порядок CRC в битах, 8/16/32.
Public Shared Function GetCrc_Simple(ByVal bytes As Byte(), ByVal poly As UInteger, Optional ByVal width As Integer = 32, Optional ByVal initReg As UInteger = &HFFFFFFFFUI, Optional ByVal finalXor As UInteger = &HFFFFFFFFUI, Optional ByVal reverseBytes As Boolean = True, Optional ByVal reverseCrc As Boolean = True) As UInteger

  Dim widthInBytes As Integer = width \ 8
  
  'Дополняем сообщение width нулями (расчёт в байтах):
  ReDim Preserve bytes(bytes.Length - 1 + widthInBytes)
  
  'Создаём очередь битов из сообщения:
  Dim msgFifo As New Queue(Of Boolean)(bytes.Count * 8 - 1)
  For Each b As Byte In bytes
    Dim ba As New BitArray({b})
    If reverseBytes Then
      For i As Integer = 0 To 7
          msgFifo.Enqueue(ba(i))
      Next
    Else
      For i As Integer = 7 To 0 Step -1
          msgFifo.Enqueue(ba(i))
      Next
    End If
  Next
  
  'Создаём очередь из битов начального заполнения регистра:
  Dim initBytes As Byte() = BitConverter.GetBytes(initReg)
  Dim initBytesReversed As IEnumerable(Of Byte) = (From b As Byte In initBytes Take widthInBytes).Reverse
  Dim initFifo As New Queue(Of Boolean)(width - 1)
  For Each b As Byte In initBytesReversed
    Dim ba As New BitArray({b})
    If Not reverseBytes Then
       For i As Integer = 0 To 7
           initFifo.Enqueue(ba(i))
       Next
    Else
      For i As Integer = 7 To 0 Step -1
          initFifo.Enqueue(ba(i))
      Next
    End If
  Next
  
  'Сдвиг и XOR:
  Dim register As UInteger = 0 'заполняем width-разрядный регистр нулями.
  Do While msgFifo.Count > 0
    
    Dim poppedBit As Integer = CInt(register >> (width - 1)) And 1 'определить перед сдвигом регистра.
    
    Dim shiftedBit As Byte = Convert.ToByte(msgFifo.Dequeue)
    If initFifo.Count > 0 Then
      Dim b As Byte = Convert.ToByte(initFifo.Dequeue)
      shiftedBit = shiftedBit Xor b
    End If
    
    register = register << 1
    register = register Or shiftedBit
    
    If poppedBit = 1 Then
      register = register Xor poly
    End If
  Loop
  
  'Финальные преобразования:
  Dim crc As UInteger = register 'Регистр содержит остаток от деления - контрольную сумму.
  If reverseCrc Then
    crc = reflect(crc, width)
  End If
  crc = crc Xor finalXor
  crc = crc And (&HFFFFFFFFUI >> (32 - width)) 'маскируем младшие разряды.
  
  Return crc

End Function

''' <summary>
''' Обращает заданное число младших битов переданного числа.
''' </summary>
''' <param name="inpValue">Число, которое требуется «отзеркалить».</param>
''' <param name="bitsToReflect">Сколько младших битов обратить, 0..32.</param>
''' <returns></returns>
''' <remarks>Например: reflect(&H3E23, 3) == &H3E26.</remarks>
Private Shared Function reflect(ByVal inpValue As UInteger, Optional ByVal bitsToReflect As Integer = 32) As UInteger
    Dim t As UInteger = inpValue
    Dim reflected As UInteger = inpValue
    For i As Integer = 0 To bitsToReflect - 1
        Dim bm As UInteger = bitMask(bitsToReflect - 1 - i)
        If (t And 1) = 1 Then
            reflected = reflected Or bm
        Else
            reflected = reflected And Not bm
        End If
        t >>= 1
    Next
    Return reflected
End Function

''' <summary>
''' Возвращает наибольший разряд числа.
''' </summary>
''' <param name="number">Число, разрядность которого следует определить.</param>
''' <returns></returns>
Private Shared Function bitMask(ByVal number As Integer) As UInteger
    Dim res As UInteger = (1UI << number)
    Return res
End Function

Как вы могли заметить, в данной реализации расчёта CRC используется LINQ, так что соответствующая ссылка должна быть добавлена в проект.

Предлагаемая программа плохо масштабируема. То есть она работает хорошо при вычислении контрольной суммы CRC для коротких сообщений, длиной до нескольких десятков килобайтов. Я писал её с целью только продемонстрировать работу простого алгоритма, и не занимался оптимизацией. При расчёте CRC для длинного сообщения, размером десятки или сотни мегабайтов, программа будет сильно загружать процессор и память, т.к. всё сообщение целиком загружается в очередь. Этому способствует метод преобразования числа в битовую последовательность, используя Queue(Of Boolean). Для работы с такими большими сообщениями желательно реализовать промежуточный буфер, который будет передавать сообщение в программу небольшими порциями.

Зато у этой программы есть одно преимущество: она может быть использована для расчёта CRC любого порядка, не обязательно 8, 16 или 32. Это может быть CRC5 или CRC49. Только для чисел больше 32-х разрядов нужно изменить соответствующим образом входные параметры – допустим, poly передавать не как UInteger, а как ULong, или передавать его в виде битового массива (тогда теоретически порядок CRC вообще будет неограничен).

3Расчёт контрольной суммы CRC табличным методом

Для сокращения числа вычислений из предыдущего метода – метода побитового сдвига – придуманы некоторые оптимизации.

В частности, сдвигают не по одному биту за раз, а сразу по несколько. Наибольшую популярность снискали варианты, в которых сообщение сдвигается на число битов, кратное числу битов в байте: 8, 16 или 32, т.к. с байтами легче работать (не нужны дополнительные преобразования). При этом идея алгоритма осталась та же: сдвиг и исключающее ИЛИ с содержимым регистра.

Кроме того, оказывается, что часть расчётов можно провести заранее и записать в массив – таблицу, из которой по мере необходимости будет браться нужное число. Такой метод расчёта назвали табличный метод расчёта CRC.

Я не буду здесь вдаваться в теорию, она довольно сложна и много раз описана в других статьях. В частности, очень хорошее и подробное описание бинарной арифметики, лежащей в основе расчёта CRC, и описание табличного метода, даётся в статье Ross N. Williams: "A Painless Guide to CRC Error Detection Algorithms". Рекомендую к прочтению обязательно! Оригинальный текст – в приложении к статье, а русский перевод легко найти в интернете.

Ну что же, пришло время для самой программы. Она будет несколько длиннее предыдущей. По сути, это реализация алгоритма из указанной статьи в стиле объектно-ориентированного программирования. Опять же будем писать программу на моём любимом языке программирования VB.NET. Я назвал этот класс RocksoftCrcModel, по названию компании, в которой работал автор указанной статьи.

Код расчёта CRC табличным методом на языке VB.NET
    ''' <summary>
    ''' Реализует алгоритм расчёта CRC методом Rocksoft^tm Model CRC.
    ''' </summary>
    Public Class RocksoftCrcModel

#Region "PROPS AND FIELDS"

        ''' <summary>
        ''' Таблица предвычисленных значений для расчёта контрольной суммы.
        ''' </summary>
        Public ReadOnly CrcLookupTable(255) As UInteger

        ''' <summary>
        ''' Порядок CRC, в битах (строго 8, 16 или 32).
        ''' Изменение этого свойства ведёт к пересчёту таблицы.
        ''' </summary>
        Public Property CrcWidth As Integer
            Get
                Return _CrcWidth
            End Get
            Set(value As Integer)
                If _CrcWidth <> value Then
                    _CrcWidth = value
                    _TopBit = getBitMask(_CrcWidth - 1)
                    _WidMask = (((1UI << (_CrcWidth - 1)) - 1UI) << 1) Or 1UI
                    generateLookupTable()
                End If
            End Set
        End Property
        Private _CrcWidth As Integer = 32

        ''' <summary>
        ''' Образующий многочлен.
        ''' Изменение этого свойства ведёт к пересчёту таблицы.
        ''' </summary>
        Public Property Polynom As UInteger
            Get
                Return _Polynom
            End Get
            Set(value As UInteger)
                If _Polynom <> value Then
                    _Polynom = value
                    generateLookupTable()
                End If
            End Set
        End Property
        Private _Polynom As UInteger = &H4C11DB7

        ''' <summary>
        ''' Обращать ли байты сообщения?
        ''' Изменение этого свойства ведёт к пересчёту таблицы.
        ''' </summary>
        Public Property ReflectIn As Boolean
            Get
                Return _ReflectIn
            End Get
            Set(value As Boolean)
                If _ReflectIn <> value Then
                    _ReflectIn = value
                    generateLookupTable()
                End If
            End Set
        End Property
        Private _ReflectIn As Boolean = True

        ''' <summary>
        ''' Начальное содержимое регистра.
        ''' </summary>
        Public Property InitRegister As UInteger
            Get
                Return _InitRegister
            End Get
            Set(value As UInteger)
                If _InitRegister <> value Then
                    _InitRegister = value
                End If
            End Set
        End Property
        Private _InitRegister As UInteger = &HFFFFFFFFUI

        ''' <summary>
        ''' Обращать выходное значение CRC?
        ''' </summary>
        Public Property ReflectOut As Boolean
            Get
                Return _ReflectOut
            End Get
            Set(value As Boolean)
                If _ReflectOut <> value Then
                    _ReflectOut = value
                End If
            End Set
        End Property
        Private _ReflectOut As Boolean = True

        ''' <summary>
        ''' Значение, с которым XOR-ится выходное значение CRC.
        ''' </summary>
        Public Property XorOut As UInteger
            Get
                Return _XorOut
            End Get
            Set(value As UInteger)
                If _XorOut <> value Then
                    _XorOut = value
                End If
            End Set
        End Property
        Private _XorOut As UInteger = &HFFFFFFFFUI

#End Region '/PROPS AND FIELDS

#Region "READ-ONLY PROPS"

        ''' <summary>
        ''' Возвращает старший разряд полинома.
        ''' </summary>
        ReadOnly Property TopBit As UInteger
            Get
                Return _TopBit
            End Get
        End Property
        Private _TopBit As UInteger = getBitMask(CrcWidth - 1)

        ''' <summary>
        ''' Возвращает длинное слово со значением (2^width)-1.
        ''' </summary>
        Private ReadOnly Property WidMask As UInteger
            Get
                Return _WidMask
            End Get
        End Property
        Private _WidMask As UInteger = (((1UI << (CrcWidth - 1)) - 1UI) << 1) Or 1UI

#End Region '/READ-ONLY PROPS

#Region "CTOR"

        ''' <summary>
        ''' Конструктор, инициализированный параметрами по умолчанию для алгоритма CRC32.
        ''' </summary>
        Public Sub New()
            generateLookupTable()
        End Sub

        ''' <summary>
        ''' Инициализирует новый экземпляр параметрической модели CRC с настраиваемыми параметрами.
        ''' </summary>
        ''' <param name="width">Разрядность контрольной суммы в битах.</param>
        ''' <param name="poly">Полином.</param>
        ''' <param name="initReg">начальное содержимое регистра.</param>
        ''' <param name="isReflectIn">Обращать ли входящие байты сообщения?</param>
        ''' <param name="isReflectOut">Обратить ли CRC перед финальным XOR.</param>
        ''' <param name="xorOut">Конечное значение XOR.</param>
        Public Sub New(ByVal width As Integer, ByVal poly As UInteger, Optional ByVal initReg As UInteger = &HFFFFFFFFUI, Optional ByVal isReflectIn As Boolean = True, Optional ByVal isReflectOut As Boolean = True, Optional ByVal xorOut As UInteger = &HFFFFFFFFUI)
            Me.CrcWidth = width
            Me.Polynom = poly
            Me.InitRegister = initReg
            Me.ReflectIn = isReflectIn
            Me.ReflectOut = isReflectOut
            Me.XorOut = xorOut
            generateLookupTable()
        End Sub

#End Region '/CTOR

#Region "ВЫЧИСЛЕНИЕ CRC"

        ''' <summary>
        ''' Вычисляет значение контрольной суммы переданного сообщения.
        ''' </summary>
        ''' <param name="message">Исходное сообщение, для которого нужно посчитать контрольную сумму.</param>
       Public Function ComputeCrc(ByRef message As Byte()) As UInteger
            Dim registerContent As UInteger = InitRegister 'Содержимое регистра в процессе пересчёта CRC.
            For Each b As Byte In message
                registerContent = getNextRegisterContent(registerContent, b)
            Next
            Dim finalCrc As UInteger = getFinalCrc(registerContent)
            Return finalCrc
        End Function

        ''' <summary>
        ''' Вычисляет значение контрольной суммы переданного сообщения и возвращает его в виде массива байтов.
        ''' </summary>
        ''' <param name="message">Исходное сообщение, для которого нужно посчитать контрольную сумму.</param>
        Public Function ComputeCrcAsBytes(ByRef message As Byte()) As Byte()
            Dim crc As UInteger = ComputeCrc(message)
            Dim crcBytes As Byte() = BitConverter.GetBytes(crc)
            Dim crcBytesOrdered(crcBytes.Length - 1) As Byte
            For i As Integer = 0 To crcBytes.Length - 1
                crcBytesOrdered(i) = crcBytes(crcBytes.Length - 1 - i)
            Next
            Return crcBytesOrdered
        End Function

        ''' <summary>
        ''' Обрабатывает один байт сообщения (0..255).
        ''' </summary>
        ''' <param name="prevRegContent">Содержимое регистра на предыдущем шаге.</param>
        ''' <param name="value">Значение очередного байта из сообщения.</param>
        Private Function getNextRegisterContent(ByVal prevRegContent As UInteger, ByVal value As Byte) As UInteger
            Dim uValue As UInteger = value
            If ReflectIn Then
                uValue = reflect(uValue, 8)
            End If
            Dim reg As UInteger = prevRegContent
            reg = reg Xor (uValue << (CrcWidth - 8))
            For i As Integer = 0 To 7
                If (reg And TopBit) = TopBit Then
                    reg = (reg << 1) Xor Polynom
                Else
                    reg <<= 1
                End If
                reg = reg And WidMask()
            Next
            Return reg
        End Function

        ''' <summary>
        ''' Возвращает значение CRC для обработанного сообщения.
        ''' </summary>
        ''' <param name="regContent">Значение регистра до финального обращения и XORа.</param>
        Private Function getFinalCrc(ByVal regContent As UInteger) As UInteger
            If ReflectOut Then
                Dim res As UInteger = XorOut Xor reflect(regContent, CrcWidth)
                Return res
            Else
                Dim res As UInteger = XorOut Xor regContent
                Return res
            End If
        End Function

#End Region '/ВЫЧИСЛЕНИЕ CRC

#Region "РАСЧЁТ ТАБЛИЦЫ"

        ''' <summary>
        ''' Вычисляет таблицу предвычисленных значений для расчёта контрольной суммы.
        ''' </summary>
        Private Sub generateLookupTable()
            For i As Integer = 0 To 255
                CrcLookupTable(i) = generateTableItem(i)
            Next
        End Sub

        ''' <summary>
        ''' Рассчитывает один байт таблицы значений для расчёта контрольной суммы
        ''' по алгоритму Rocksoft^tm Model CRC Algorithm.
        ''' </summary>
        ''' <param name="index">Индекс записи в таблице, 0..255.</param>
        Private Function generateTableItem(ByVal index As Integer) As UInteger

            Dim inbyte As UInteger = CUInt(index)

            If ReflectIn Then
                inbyte = reflect(inbyte, 8)
            End If

            Dim reg As UInteger = inbyte << (CrcWidth - 8)

            For i As Integer = 0 To 7
                If (reg And TopBit) = TopBit Then
                    reg = (reg << 1) Xor Polynom
                Else
                    reg <<= 1
                End If
            Next

            If ReflectIn Then
                reg = reflect(reg, CrcWidth)
            End If

            Dim res As UInteger = reg And WidMask
            Return res

        End Function

#End Region '/РАСЧЁТ ТАБЛИЦЫ

#Region "ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ"

        ''' <summary>
        ''' Возвращает наибольший разряд числа.
        ''' </summary>
        ''' <param name="number">Число, разрядность которого следует определить, степень двойки.</param>
        Private Function getBitMask(ByVal number As Integer) As UInteger
            Dim res As UInteger = 1UI << number
            Return res
        End Function

        ''' <summary>
        ''' Обращает заданное число младших битов переданного числа.
        ''' </summary>
        ''' <param name="value">Число, которое требуется обратить («отзеркалить»).</param>
        ''' <param name="bitsToReflect">Сколько младших битов числа обратить, 0..32.</param>
        ''' <remarks>Например: reflect(0x3E23, 3) == 0x3E26.</remarks>
        Private Function reflect(ByVal value As UInteger, Optional ByVal bitsToReflect As Integer = 32) As UInteger
            Dim t As UInteger = value
            Dim reflected As UInteger = value
            For i As Integer = 0 To bitsToReflect - 1
                Dim bm As UInteger = getBitMask(bitsToReflect - 1 - i)
                If (t And 1) = 1 Then
                    reflected = reflected Or bm
                Else
                    reflected = reflected And Not bm
                End If
                t >>= 1
            Next
            Return reflected
        End Function

#End Region '/ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ

    End Class 

Этот код полностью готов к использованию, можно брать и применять. Пользоваться данной программой так:

  • создать экземпляр класса RocksoftCrcModel(), передав в конструктор параметры модели CRC;
  • для расчёта контрольной суммы, вызвать метод данного объекта ComputeCrc() или ComputeCrcAsBytes(), передав в качестве параметра информационное сообщение, для которого необходимо посчитать контрольную сумму;
  • если меняются параметры модели CRC, таблица автоматически пересчитывается, и новый экземпляр класса можно не создавать.

Приведу пример использования данного класса для алгоритма CRC16. В качестве сообщения message будем использовать массив байтов, который представляет собой строку "123456789" в коде ASCII, которая используется во многих онлайн-калькуляторах CRC:

Dim crcModel As New RocksoftCrcModel(16, &H8005, 0, True, True, 0)
Dim message as Byte() = {&H31, &H32, &H33, &H34, &H35, &H36, &H37, &H38, &H39}
Dim crc As UInteger = crcModel.ComputeCrc(message)

Данная реализация расчёта CRC была проверена мною путём сличения со многими онлайн-калькуляторами CRC (назовём это «слабой» проверкой, именно такое определение дано в вышеуказанной статье, когда проверка осуществляется на основании сравнения рассчитанной контрольной суммы с эталонной, при одинаковых исходных параметрах и сообщении).

Для любителей C# перепишем данный класс таким образом:

Код расчёта CRC табличным методом на языке C# (разворачивается)
using System;

namespace CRC
{
  /// <summary>Реализует алгоритм расчёта CRC методом Rocksoft^tm Model CRC.</summary>
  public class RocksoftCrcModel
  {
    /// <summary>Таблица предвычисленных значений для расчёта контрольной суммы.</summary>
    public readonly uint[] CrcLookupTable;
    private int _CrcWidth;
    private uint _Polynom;
    private bool _ReflectIn;
    private uint _InitRegister;
    private bool _ReflectOut;
    private uint _XorOut;
    private uint _TopBit;
    private uint _WidMask;

    /// <summary>
    /// Порядок CRC, в битах (8/16/32).
    /// Изменение этого свойства ведёт к пересчёту таблицы.
    /// </summary>
    public int CrcWidth
    {
      get
      {
        return this._CrcWidth;
      }
      set
      {
        if (this._CrcWidth == value)
          return;
        this._CrcWidth = value;
        this._TopBit = this.getBitMask(checked (this._CrcWidth - 1));
        this._WidMask = (uint) ((int) checked (unchecked ((uint) (1 << checked (this._CrcWidth - 1))) - 1U) << 1 | 1);
        this.generateLookupTable();
      }
    }

    /// <summary>
    /// Образующий многочлен.
    /// Изменение этого свойства ведёт к пересчёту таблицы.
    /// </summary>
    public uint Polynom
    {
      get
      {
        return this._Polynom;
      }
      set
      {
        if ((int) this._Polynom == (int) value)
          return;
        this._Polynom = value;
        this.generateLookupTable();
      }
    }

    /// <summary>
    /// Обращать байты сообщения?
    /// Изменение этого свойства ведёт к пересчёту таблицы.
    /// </summary>
    public bool ReflectIn
    {
      get
      {
        return this._ReflectIn;
      }
      set
      {
        if (this._ReflectIn == value)
          return;
        this._ReflectIn = value;
        this.generateLookupTable();
      }
    }

    /// <summary>Начальное содержимое регистра.</summary>
    public uint InitRegister
    {
      get
      {
        return this._InitRegister;
      }
      set
      {
        if ((int) this._InitRegister == (int) value)
          return;
        this._InitRegister = value;
      }
    }

    /// <summary>Обращать выходное значение CRC?</summary>
    public bool ReflectOut
    {
      get
      {
        return this._ReflectOut;
      }
      set
      {
        if (this._ReflectOut == value)
          return;
        this._ReflectOut = value;
      }
    }

    /// <summary>Значение, с которым XOR-ится выходное значение CRC.</summary>
    public uint XorOut
    {
      get
      {
        return this._XorOut;
      }
      set
      {
        if ((int) this._XorOut == (int) value)
          return;
        this._XorOut = value;
      }
    }

    /// <summary>Возвращает старший разряд полинома.</summary>
    public uint TopBit
    {
      get
      {
        return this._TopBit;
      }
    }

    /// <summary>Возвращает длинное слово со значением (2^width)-1.</summary>
    /// <returns></returns>
    /// <remarks></remarks>
    private uint WidMask
    {
      get
      {
        return this._WidMask;
      }
    }

    /// <summary>
    /// Конструктор, инициализированный параметрами по умолчанию для алгоритма CRC32.
    /// </summary>
    public RocksoftCrcModel()
    {
      base..ctor();
      this.CrcLookupTable = new uint[256];
      this._CrcWidth = 32;
      this._Polynom = 79764919U;
      this._ReflectIn = true;
      this._InitRegister = uint.MaxValue;
      this._ReflectOut = true;
      this._XorOut = uint.MaxValue;
      this._TopBit = this.getBitMask(checked (this.CrcWidth - 1));
      this._WidMask = (uint) ((int) checked (unchecked ((uint) (1 << checked (this.CrcWidth - 1))) - 1U) << 1 | 1);
      this.generateLookupTable();
    }

    /// <summary>
    /// Инициализирует новый экземпляр параметрической модели CRC с настраиваемыми параметрами.
    /// </summary>
    /// <param name="width">Разрядность контрольной суммы в битах.</param>
    /// <param name="poly">Полином.</param>
    /// <param name="initReg">начальное содержимое регистра.</param>
    /// <param name="isReflectIn">Обращать ли входящие байты сообщения?</param>
    /// <param name="isReflectOut">Обратить ли CRC перед финальным XOR.</param>
    /// <param name="xorOut">Конечное значение XOR.</param>
    public RocksoftCrcModel(int width, uint poly, uint initReg = 4294967295, bool isReflectIn = true, bool isReflectOut = true, uint xorOut = 4294967295)
    {
      base..ctor();
      this.CrcLookupTable = new uint[256];
      this._CrcWidth = 32;
      this._Polynom = 79764919U;
      this._ReflectIn = true;
      this._InitRegister = uint.MaxValue;
      this._ReflectOut = true;
      this._XorOut = uint.MaxValue;
      this._TopBit = this.getBitMask(checked (this.CrcWidth - 1));
      this._WidMask = (uint) ((int) checked (unchecked ((uint) (1 << checked (this.CrcWidth - 1))) - 1U) << 1 | 1);
      this.CrcWidth = width;
      this.Polynom = poly;
      this.InitRegister = initReg;
      this.ReflectIn = isReflectIn;
      this.ReflectOut = isReflectOut;
      this.XorOut = xorOut;
      this.generateLookupTable();
    }

    /// <summary>Вычисляет значение контрольной суммы переданного сообщения.</summary>
    /// <param name="message">Исходное сообщение, для которого нужно посчитать контрольную сумму.</param>
    /// <returns></returns>
    public uint ComputeCrc(ref byte[] message)
    {
      uint num1 = this.InitRegister;
      byte[] numArray = message;
      int index = 0;
      while (index < numArray.Length)
      {
        byte num2 = numArray[index];
        num1 = this.getNextRegisterContent(num1, num2);
        checked { ++index; }
      }
      return this.getFinalCrc(num1);
    }

    /// <summary>
    /// Вычисляет значение контрольной суммы переданного сообщения и возвращает его в виде массива байтов.
    /// </summary>
    /// <param name="message">Исходное сообщение, для которого нужно посчитать контрольную сумму.</param>
    /// <returns></returns>
    public byte[] ComputeCrcAsBytes(byte[] message)
    {
      byte[] bytes = BitConverter.GetBytes(this.ComputeCrc(ref message));
      byte[] numArray = new byte[checked (bytes.Length - 1 + 1)];
      int num1 = 0;
      int num2 = checked (bytes.Length - 1);
      int index = num1;
      while (index <= num2)
      {
        numArray[index] = bytes[checked (bytes.Length - 1 - index)];
        checked { ++index; }
      }
      return numArray;
    }

    /// <summary>Обрабатывает один байт сообщения (0..255).</summary>
    /// <param name="prevRegContent">Содержимое регистра на предыдущем шаге.</param>
    /// <param name="value">Значение очередного байта из сообщения.</param>
    private uint getNextRegisterContent(uint prevRegContent, byte value)
    {
      uint num1 = (uint) value;
      if (this.ReflectIn)
        num1 = this.reflect(num1, 8);
      uint num2 = prevRegContent ^ num1 << checked (this.CrcWidth - 8);
      int num3 = 0;
      do
      {
        num2 = (((int) num2 & (int) this.TopBit) != (int) this.TopBit ? num2 << 1 : num2 << 1 ^ this.Polynom) & this.WidMask;
        checked { ++num3; }
      }
      while (num3 <= 7);
      return num2;
    }

    /// <summary>Возвращает значение CRC для обработанного сообщения.</summary>
    /// <param name="regContent">Значение регистра до финального обращения и XORа.</param>
    /// <returns></returns>
    private uint getFinalCrc(uint regContent)
    {
      if (this.ReflectOut)
        return this.XorOut ^ this.reflect(regContent, this.CrcWidth);
      return this.XorOut ^ regContent;
    }

    /// <summary>Вычисляет таблицу предвычисленных значений для расчёта контрольной суммы.</summary>
    private void generateLookupTable()
    {
      int index = 0;
      do
      {
        this.CrcLookupTable[index] = this.generateTableItem(index);
        checked { ++index; }
      }
      while (index <= (int) byte.MaxValue);
    }

    /// <summary>
    /// Рассчитывает один байт таблицы значений для расчёта контрольной суммы
    /// по алгоритму Rocksoft^tm Model CRC Algorithm.
    /// </summary>
    /// <param name="index">Индекс записи в таблице, 0..255.</param>
    private uint generateTableItem(int index)
    {
      uint num1 = checked ((uint) index);
      if (this.ReflectIn)
        num1 = this.reflect(num1, 8);
      uint num2 = num1 << checked (this.CrcWidth - 8);
      int num3 = 0;
      do
      {
        if (((int) num2 & (int) this.TopBit) == (int) this.TopBit)
          num2 = num2 << 1 ^ this.Polynom;
        else
          num2 <<= 1;
        checked { ++num3; }
      }
      while (num3 <= 7);
      if (this.ReflectIn)
        num2 = this.reflect(num2, this.CrcWidth);
      return num2 & this.WidMask;
    }

    /// <summary>Возвращает наибольший разряд числа.</summary>
    /// <param name="number">Число, разрядность которого следует определить, степень двойки.</param>
    /// <returns></returns>
    private uint getBitMask(int number)
    {
      return (uint) (1 << number);
    }

    /// <summary>Обращает заданное число младших битов переданного числа.</summary>
    /// <param name="value">Число, которое требуется обратить ("отзеркалить").</param>
    /// <param name="bitsToReflect">Сколько младших битов числа обратить, 0..32.</param>
    /// <returns></returns>
    /// <remarks>Например: reflect(0x3E23, 3) == 0x3E26.</remarks>
    private uint reflect(uint value, int bitsToReflect = 32)
    {
      uint num1 = value;
      uint num2 = value;
      int num3 = 0;
      int num4 = checked (bitsToReflect - 1);
      int num5 = num3;
      while (num5 <= num4)
      {
        uint bitMask = this.getBitMask(checked (bitsToReflect - 1 - num5));
        if (((long) num1 & 1L) == 1L)
          num2 |= bitMask;
        else
          num2 &= ~bitMask;
        num1 >>= 1;
        checked { ++num5; }
      }
      return num2;
    }
  }
}

Данная программа на C# не тестировалась мной, в отличие от предыдущей, написанной на VB.NET. Этот код получен через декомпиляцию предыдущего. Если в нём обнаружатся какие-то ошибки, то пишите в комментариях или мне на почту, исправлю.

Прикладываю к статье полностью рабочий и готовый к использованию файл RocksoftCrcModel.vb с реализацией расчёта контрольной суммы CRC, который мы тут рассмотрели, а также RocksoftCrcModel.cs на C#.

4«Взлом» контрольной суммы CRC32 и CRC16

Кратко затронем вопрос «взлома» CRC32. И прежде всего давайте определимся с понятием «взлом» применительно к данному вопросу.

Если задача определения контрольной суммы некоторого массива данных – прямая задача, то «взлом» – это обратная задача, а именно: подгонка контрольной суммы под определённый массив данных.

Допустим, вы имеете файл и рассчитали его контрольную сумму. Вам нужно изменить в нём произвольное число байтов, сохранив при этом контрольную сумму. Сделать это совсем не сложно.

Для начала нужно посчитать обычным образом контрольную сумму CRC32, CRC16 или любую другую, какая вам нужна, для этого изменённого файла. Пусть это будет C1. Теперь нужно добавить такое же число нулевых байтов в конец файла, которое содержится в контрольной сумме (для CRC32 – 4 байта, для CRC16 – 2 байта, и т.д.). Можно простым перебором подобрать такое число C2, которое мы и запишем в эти нулевые байты. Ведь понятно, что полный диапазон всех допустимых значений CRC32 укладывается в 232 ~ 4,295 млрд. То есть за 4 с небольшим миллиарда итераций расчёта контрольной суммы с начальным содержимым регистра, равным С1, мы брутфорсом («в лоб», методом грубой силы) подберём нужное значение. При современных вычислительных мощностях это не составит проблемы. А уж «взломать» с помощью перебора CRC16 вообще дело нескольких секунд.

Можно ли разместить нулевые байты в середине или начале файла? Можно. К операции XOR применим сочетательный закон: a XOR (b XOR c) = (a XOR b) XOR c, поэтому можно с успехом разбить файл на 3 части: до вставки, после вставки, и сама вставка. Посчитать CRC для первых двух частей (C1 и C2 на иллюстрации), объединить их операцией XOR, заполнить этим числом начальное содержимое регистра, а затем «сбрутфорсить» CRC оставшейся третьей части X.

+-----------------+-----+---------+
|        c1       |  x  |   c2    |
+-----------------+-----+---------+

Есть более интеллектуальный и изящный способ подогнать CRC под нужное значение. Суть его в том, что вместо последовательного перебора всех подряд значений мы «прокручиваем назад» несколько раз (по числу байтов или битов контрольной суммы) наш табличный алгоритм или алгоритм побитового сдвига до тех пор, пока CRC не будет желаемой. На эту тему есть подробные и качественные материалы в сети.

Таким образом, напрашивается вывод: контрольная сумма типа CRC хорошо подходит для проверки целостности данных при случайных искажениях информации в канале передачи данных, но совершенно не подходит для защиты от намеренного взлома.

5Программа для расчёта контрольной суммы по алгоритмам CRC32, CRC16 и CRC8

На основе приведённого алгоритма была написана программа – калькулятор для расчёта контрольных сумм по алгоритмам CRC32, CRC16 и CRC8. Внешний вид окна приведён на рисунке. Программа работает под ОС Windows и требует .NET версии 3.5.

Программа для расчёта контрольной суммы по алгоритмам CRC32, CRC16 и CRC8
Интерфейс программы для расчёта контрольной суммы по алгоритмам CRC32, CRC16 и CRC8

Программа позволяет рассчитывать CRC массива байтов (введённого в поле «Сообщение») или указанного файла. Все рассмотренные выше параметры контрольной суммы настраиваются через интерфейс программы.

Ну и напоследок выкладываю ссылки на архив, в архиве лежат: программа «Калькулятор CRC», оригинальная статья "A Painless Guide to CRC Error Detection Algorithms", класс RocksoftCrcModel() на Visual Basic.NET и на C#.

Содержимое архива "CRC calculator"

Итак, подведём итоги. В этой статье мы:
– узнали, что такое контрольная сумма CRC и какие бывают её виды;
– научились считать CRC методом побитового сдвига и табличным методом; – узнали алгоритмы «взлома» CRC и сделали вывод о границах применимости контрольной суммы типа CRC.

Скачать программу «Калькулятор контрольной суммы CRC»

Last modified onПятница, 01 Ноябрь 2019 14:19 Read 40116 times

Поделиться

Print Friendly, PDF & Email

Leave a comment