如何选择CRC校验码的长度？

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来源于小伙伴提问。

选择CRC校验码的长度时确实需要在检错能力和系统开销之间做出权衡。CRC码的长度（通常是4、8、16、32位）直接影响到能检测到的错误类型和概率。

要确定在一定检错概率 p 下的最小CRC长度，可以从几个方面入手，包括信息长度 n、错误检测概率需求 p、以及CRC多项式的选择。

下面从理论背景、实用方法以及计算步骤等方面详细解释。

CRC（Cyclic Redundancy Check）使用一个特定的生成多项式对数据帧进行余数计算，产生一个校验码。

接收端利用相同的多项式重算余数，如果余数为零则判定无误差，否则判定出错。

对于不同长度的CRC码，其生成多项式能探测不同类型的错误：

• 单比特错误：任何CRC都能检测单比特错误。

• 连续位翻转的突发错误：长度为 k 位的CRC最多可以检测到长度不超过 k 位的突发错误。

• 随机错误：概率与CRC码的位数有关。

CRC的检错概率可以近似通过以下公式进行估算：

其中 k为CRC校验码的位数。

例如，对于一个8位的CRC码，理论上可检测到的错误概率约为 1−1/256=0.996。从公式中可以看出，位数越多，检错概率越高。

在实际应用中，我们可以通过以下步骤来确定CRC的位数：确定目标检错概率：假设我们要求的检错概率 Pdetect≥p。

代入公式并求出位数：我们可以重新排列公式来得到最小的CRC位数：

例如，若我们希望检错概率 p=0.999，则：

这意味着至少需要10位的CRC才能满足这个检错概率。

考虑信息长度 n：虽然理论上，CRC的检错能力与信息长度 n 不直接相关，但在极长的帧中，可能会遇到极端情况。

因此，当 n 非常大（如数百甚至上千位）时，建议增加1-2位以提高稳健性。

• 短数据帧（如10-100比特）：通常8位的CRC码已经可以提供很高的检错概率，适合普通通信应用。

• 中等数据帧（100-1000比特）：16位的CRC是更合适的选择，适合要求较高检错概率的协议。

• 长数据帧（1000比特以上）：32位CRC可以提供极高的检错能力，多用于高可靠性的工业、通信或存储系统中。

假设你设计的协议需要保证检错概率不低于 p=0.999，且每帧数据为 n=500 比特。

根据上面的公式，我们计算得到的最小位数约为10位；结合数据帧长度，实际应用中推荐至少选择12位甚至16位的CRC，以确保满足高检错需求。

进一步的，标准CRC多项式（如CRC-16或CRC-32）经过广泛验证，在通信和存储应用中可靠性高，通常推荐直接采用这些标准多项式。

位数越长的CRC校验码，校验性能越好，但代价是数据包的开销和计算复杂性增大。

典型的实现中：

• 计算性能：硬件CRC加速器可以显著降低较长CRC的计算延迟。

• 通信开销：8位CRC增加的传输开销通常较小，但超过16位时，额外开销对低速通信协议影响较大。

综合以上分析，为了在实际应用中确定CRC码长度，建议的步骤如下：

• 根据要求的检错概率计算最小位数。

• 考虑数据帧长度，适当增加1-2位以提高稳健性。

• 使用标准CRC多项式以确保通用性和可靠性。