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今天痞子衡繼續(xù)給大家介紹針對(duì) packet 校驗(yàn)的最簡(jiǎn)單的校驗(yàn)法 - 即和校驗(yàn)法。
一、和校驗(yàn)法基本原理
1.1 校驗(yàn)依據(jù)
和校驗(yàn)法的校驗(yàn)依據(jù)就是判斷一次傳輸?shù)?n bytes 組成的 packet 的所有 byte 累加和結(jié)果（僅截取低 byte）在傳輸前后是否一致。
1.2 和校驗(yàn)位
為了實(shí)現(xiàn)和校驗(yàn)，通常會(huì)在傳輸?shù)倪@組 n bytes 數(shù)據(jù)最后插入一個(gè)額外的和校驗(yàn)字節(jié)(byte)，用它來(lái)記錄這組數(shù)據(jù)累加和的低 byte 結(jié)果。
1.3 校驗(yàn)方法
前面講到和校驗(yàn)位實(shí)際上是 n bytes 數(shù)據(jù)包的累加和，那么一包數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 n 到底怎么確定呢？為了確定 n，我們通常會(huì)在一包數(shù)據(jù)開(kāi)始的時(shí)候額外插入一個(gè)信息位標(biāo)明當(dāng)前數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。
在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包是一包一包連續(xù)發(fā)送的，如果傳輸過(guò)程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，則會(huì)引起數(shù)據(jù)包的錯(cuò)位導(dǎo)致接下來(lái)一連串?dāng)?shù)據(jù)包的解析錯(cuò)誤，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包錯(cuò)位呢？我們通常還會(huì)在數(shù)據(jù)包最開(kāi)始的時(shí)候再額外插入一個(gè)信息位標(biāo)明一包數(shù)據(jù)的開(kāi)始，這個(gè)信息位也叫作起始標(biāo)志字節(jié)。
所以最終完整的數(shù)據(jù)包變成如下格式：
起始標(biāo)志字節(jié)(1 byte) 長(zhǎng)度字節(jié)(1-2 byte) 原始數(shù)據(jù)位(n bytes) 和校驗(yàn)字節(jié)(1 byte)
有了上述前導(dǎo)信息位，我們便可以準(zhǔn)確找到一包數(shù)據(jù)中的原始數(shù)據(jù)位進(jìn)行累加計(jì)算得出和，然后與數(shù)據(jù)包中的校驗(yàn)和字節(jié)進(jìn)行比較驗(yàn)證當(dāng)前包數(shù)據(jù)的正確性。
需要注意的是，對(duì)于校驗(yàn)和字節(jié)，有時(shí)候并不一定是數(shù)據(jù)位所有字節(jié)之和結(jié)果的原碼，也有可能是反碼或補(bǔ)碼（關(guān)于三者區(qū)別，請(qǐng)參考痞子衡另一篇文章《整數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示》），需要結(jié)合不同校驗(yàn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別對(duì)待，否則會(huì)導(dǎo)致驗(yàn)證結(jié)果有誤。
1.4 C 代碼實(shí)現(xiàn)
實(shí)際中校驗(yàn)和字節(jié)為數(shù)據(jù)之和 byte 結(jié)果（認(rèn)定被截?cái)嗟?bit9 為 1）的補(bǔ)碼應(yīng)用較多，因?yàn)樵隍?yàn)證數(shù)據(jù)包時(shí)，直接將所有數(shù)據(jù)連同校驗(yàn)和字節(jié)直接相加得到 byte 結(jié)果為 0，即表示數(shù)據(jù)包正確。此處示例代碼以補(bǔ)碼校驗(yàn)和為例：
安裝包:codeblocks-17.12mingw-setup.exe
集成環(huán)境:CodeBlocks 17.12 rev 11256
編譯器:GNU GCC 5.1.0
調(diào)試器:GNU gdb (GDB) 7.9.1
// checksum.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include <stdint.h>
enum _packet_constants
{
kPacketStartByte = 0x5a
};
#pragma pack(1)
typedef struct _packet_header
{
uint8_t startByte;
uint8_t length;
} packet_header_t;
#pragma pack()
/*!
* @brief 計(jì)算數(shù)據(jù)塊的 checksum（補(bǔ)碼）
*
* @param src， 待處理的數(shù)據(jù)塊 .
* @param lenInBytes， 待處理的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度 .
*/
uint8_t get_checksum(uint8_t *src,
uint32_t lenInBytes)
{
uint8_t checksum = 0;
// 計(jì)算數(shù)據(jù)和，丟棄高 bytes
while (lenInBytes--)
{
checksum += *src++;
}
// 轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼
checksum = (~checksum) + 1;
return checksum;
}
/*!
* @brief 驗(yàn)證數(shù)據(jù)包的 checksum
*
* @param src， 待處理的數(shù)據(jù)包 .
* @retval 0， 數(shù)據(jù)包 checksum 校驗(yàn)正確 .
* @retval 1， 數(shù)據(jù)包起始標(biāo)志字節(jié)錯(cuò)誤 .
* @retval 2， 數(shù)據(jù)包 checksum 校驗(yàn)錯(cuò)誤 .
*/
int32_t verify_packet(uint8_t *src)
{
uint8_t sum = 0;
packet_header_t *header = (packet_header_t *)src;
// 校驗(yàn)數(shù)據(jù)包頭
if (header->startByte != kPacketStartByte)
{
return 1;
}
// 求所有數(shù)據(jù)及校驗(yàn)字節(jié)之和
for (uint32_t i = 0; i < header->length; i++)
{
sum += *(src + sizeof(packet_header_t) + i);
}
// 結(jié)果為非 0，則 checksum 錯(cuò)誤
if (sum)
{
return 2;
}
return 0;
}
// main.c
//////////////////////////////////////////////////////////
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "checksum.h"
int main(void)
{
uint8_t packet[16];
packet_header_t *header = (packet_header_t *)packet;
// 填充包頭
header->startByte = kPacketStartByte;
header->length = sizeof(packet) - sizeof(packet_header_t);
// 填充數(shù)據(jù)
for (uint32_t i = sizeof(packet_header_t); i < header->length - 1; i++)
{
packet[i] = rand();
}
// 填充 checksum
packet[sizeof(packet) - 1] = get_checksum(&packet[sizeof(packet_header_t)], header->length - 1);
// 顯示 packet
for (uint32_t i = 0; i < sizeof(packet); i++)
{
printf("packet[%d] = 0x%xn", i, packet[i]);
}
// 校驗(yàn) checksum
int32_t res = verify_packet(packet);
printf("check res = %dn", res);
return 0;
}
1.5 行業(yè)應(yīng)用
和校驗(yàn)由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)性能也算理想，因此應(yīng)用十分廣泛，就嵌入式而言，比較典型的應(yīng)用是在各種 image 格式中。做過(guò)編程器或者下載器的朋友肯定會(huì)比較了解，常用的 image 格式有 hex、s19，這些 image 文件都是由多個(gè)數(shù)據(jù)包組成的，在下載 image 文件時(shí)需要對(duì)每一包進(jìn)行和校驗(yàn)。關(guān)于 image 文件詳情，可參考痞子衡的文章《ARM 開(kāi)發(fā)中 image 文件詳解》。
二、和校驗(yàn)法失效分析
在數(shù)據(jù)包傳輸中，如果只是單 byte 發(fā)生 bit 錯(cuò)誤（無(wú)論多少個(gè) bit 錯(cuò)誤），和校驗(yàn)法一定能夠識(shí)別出錯(cuò)誤。即使有多個(gè) byte 發(fā)生 bit 出錯(cuò)，大部分情況下和校驗(yàn)法也能正常檢出。但和校驗(yàn)法有如下 3 個(gè)明顯的缺陷：
當(dāng)多個(gè) byte 發(fā)生的 bit 錯(cuò)誤發(fā)生抵消現(xiàn)象（引起的增量和結(jié)果是 0x100 的倍數(shù)），無(wú)法識(shí)別錯(cuò)誤。
當(dāng) packet 中 byte 數(shù)據(jù)順序發(fā)生調(diào)換時(shí)，無(wú)法識(shí)別錯(cuò)誤。
不能糾錯(cuò)，在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，只能要求重發(fā)。
和校驗(yàn)法雖然能夠校驗(yàn) packet，且有一定的錯(cuò)誤 bit 檢測(cè)能力，但其是把 packet 當(dāng)做無(wú)序數(shù)據(jù)包來(lái)處理的，有沒(méi)有其他比和校驗(yàn)法更好且能夠校驗(yàn)數(shù)據(jù)次序的檢錯(cuò)方法呢？痞子衡在下篇會(huì)繼續(xù)聊。
至此，嵌入式里數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制技術(shù)之和校驗(yàn)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~
