Android开发 - “效验和”效验数据在传输或存储过程中是否出错解析

校验和的基本原理

• 校验和的基本原理非常简单，就是把一组数据中的所有字节（或者其他单位）的数值相加，然后得到一个总和，这个总和就是所谓的“校验和”。在传输数据时，发送方会把数据和校验和一起发送出去；接收方收到数据后，也会计算一次校验和，然后与发送方提供的校验和进行比较。如果两个校验和相同，就认为数据是完整的；如果不同，说明数据在传输过程中发生了错误

简单的例子

• 假设有一个数据包，其中包含了以下 4 个字节的数据：

  10101100
  01101010
  11110000
  00001111
  

• 如果用一个简单的校验和算法来检测这些数据是否有错误，可以将这 4 个字节的数值相加，得到一个总和。为了方便理解，把这些二进制数转换成十进制数

  • 10101100 = 172

  • 01101010 = 106

  • 11110000 = 240

  • 00001111 = 15

• 计算校验和的值

  校验和 = 172 + 106 + 240 + 15 = 533
  

  • 这个533就是数据的校验和，发送方会把这 533 作为数据包的一部分发送给接收方。接收方在收到数据包后，会重新计算一次校验和，并与发送方的校验和进行比较。如果结果是 533，则数据没有出错；如果不是 533，则表示数据在传输过程中有错误

常见的校验和类型

简单加法校验和

• 像上面例子一样，将所有数据的数值相加，得到一个总和。计算非常简单，但无法检测出所有类型的错误

  public class SimpleChecksum {
  
      /**
       * 计算简单加法校验和
       * 
       * @param data 字节数组
       * @return 校验和（整数）
       */
      public static int calculateChecksum(byte[] data) {
          int checksum = 0; // 初始化校验和为0
  
          for (byte b : data) {
              checksum += b; // 将每个字节的值相加
          }
  
          return checksum & 0xFF; // 返回校验和的低8位
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          // 示例数据
          byte[] data = {(byte) 0xAC, (byte) 0x6A, (byte) 0xF0, (byte) 0x0F};
  
          // 计算校验和
          int checksum = calculateChecksum(data);
          System.out.printf("Simple Checksum: 0x%02X%n", checksum); // 输出结果为十六进制格式
      }
  }
  

  • 遍历数据数组，将每个字节的数值相加，结果取低8位

异或校验和

• 使用异或（XOR）运算符计算数据的校验和。异或校验和比简单加法校验和更能发现某些错误类型

  public class XORChecksum {
  
      /**
       * 计算异或校验和
       * 
       * @param data 字节数组
       * @return 校验和（整数）
       */
      public static int calculateChecksum(byte[] data) {
          int checksum = 0; // 初始化校验和为0
  
          for (byte b : data) {
              checksum ^= b; // 计算每个字节的异或校验和
          }
  
          return checksum;
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          // 示例数据
          byte[] data = {(byte) 0xAC, (byte) 0x6A, (byte) 0xF0, (byte) 0x0F};
  
          // 计算校验和
          int checksum = calculateChecksum(data);
          System.out.printf("XOR Checksum: 0x%02X%n", checksum); // 输出结果为十六进制格式
      }
  }
  

  • 遍历数据数组，对每个字节进行异或操作，最终得到一个校验值

CRC-8 校验和

• 比简单加法或异或校验和更复杂，也更可靠。CRC 使用了一种数学算法来产生校验和，能检测出大多数常见的错误类型，比如单个错误位或多个连续错误位。CRC 是网络通信协议中常用的校验方法

  public class CRC8Checksum {
  
      private static final int POLYNOMIAL = 0x07; // CRC-8多项式
  
      /**
       * 计算CRC-8校验码
       * 
       * @param data 字节数组
       * @return CRC-8的值（整数）
       */
      public static int calculateCRC8(byte[] data) {
          int crc = 0; // 初始化CRC为0
  
          for (byte b : data) {
              crc ^= b; // 当前字节与CRC进行异或
  
              for (int i = 0; i < 8; i++) { // 对每一位进行处理
                  if ((crc & 0x80) != 0) { // 如果最高位是1
                      crc = (crc << 1) ^ POLYNOMIAL; // 左移1位并与多项式进行异或
                  } else {
                      crc <<= 1; // 仅左移1位
                  }
                  crc &= 0xFF; // 确保CRC值在8位以内
              }
          }
  
          return crc;
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          // 示例数据
          byte[] data = {(byte) 0xAC, (byte) 0x6A, (byte) 0xF0, (byte) 0x0F};
  
          // 计算CRC-8
          int crc = calculateCRC8(data);
          System.out.printf("CRC-8: 0x%02X%n", crc); // 输出结果为十六进制格式
      }
  }
  

  • 遍历数据数组，对每个字节和已有CRC值进行异或，然后根据CRC多项式进行逐位运算，最终得到一个8位的CRC值

校验和的优势和局限性

• 优势：

  • 简单高效：计算校验和的算法通常非常简单，计算速度快，适合在资源有限的系统中使用

  • 快速错误检测：能够快速检测出数据传输过程中发生的错误

• 局限性：

  • 有限的错误检测能力：简单的校验和算法，如简单加法或异或，可能无法检测出某些类型的错误（例如，数据的顺序发生变化，或两个相互抵消的错误）
  • 不适用于高安全性需求的场合：对于需要高数据完整性和安全性的应用场景（例如金融交易、敏感数据传输），通常使用更复杂和可靠的校验方法，如 CRC 或 HMAC（基于哈希的消息认证码）

总结

• 校验和是一种用于验证数据完整性和检测数据传输或存储过程中错误的简单而有效的工具。通过简单的加法、异或或更复杂的算法（如 CRC），校验和能帮助确保数据在传输过程中不被篡改或损坏。虽然校验和并不是最可靠的错误检测方法，但由于其计算效率高且实现简单，它在许多应用场景中仍然非常有用