【软考学习7】数据校验——海明校验码、循环校验码、奇偶校验码

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一、检错、纠错和码距

1.1 检错

从接收的报文中，检查出错误。

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1.2 纠错

从接收的报文中检查出错误，并改正错误。

一般通过加冗余信息（增大码距）来实现。

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1.3 码距

码距是整个编码系统中任意两个码字的最小距离。

也就是说，一个编码 A到和 A 任意不一样的编码 B，最少需要变更的位数。

如果从一个合法编码 A 编导另外一个合法编码 B，最少要变动两位，则码距就是 2。

码距越大，排错能力越好。

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1.4 例题

举个例子，若采用 1 位长度的二进制编码，设 A = 0，B = 1，那么 A、B 之间的码距是 1，因为从 0 变到 1 最少需要变 1 位。

如果张三给李四发送了一串编码 0，但李四接收到的编码是 1，那么李四无法识别接收到的编码是否正确，因为张三发送的 0 和李四接收到的 1，都是合法的编码。

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若采用 2 位长度的二进制编码，设 A = 00，B = 11，那么 A、B 之间的码距是 2，因为从 00 变到 11 最少需要变 2 位。

如果张三给李四发送了一串编码 00，但李四接收到的编码是 01，那么李四可以确定接受的编码错了，因为只有 00 和 11 是合法的字符，而 01 不合法，但李四无法确定张三发送的到底是 00 还是 11 ，所以只知道错误，但不能纠错。

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若采用 3 位长度的二进制编码，设 A = 000，B = 111，那么 A、B 之间的码距是 3，因为从 000 变到 111 最少需要变 3 位。

如果张三给李四发送了一串编码 000，但李四接收到的编码是 001，那么李四可以确定接受的编码错了，因为只有 000 和 111 是合法的字符，而 001 不合法，但李四可以认为接收到的编码就是 000 ，因为李四潜移默化的认为计算机出错概率很小，所以这种情况下知道错误，也能纠错。

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二、CRC 循环校验码

CRC 循环校验码是一个只能检错但不能纠错的校验码。

2.1 基本原理

在进行信息编码时，在数据尾部添加一串校验位，让编码后的数据和生成多项式相除且余数为零。

如果接收方校验时，发现余数不为零，则代表传输过程中出现了错误。

CRC 在计算中采用模二除法，即为异或除法。

2.2 例题

原始报文为 11001010101，生成多项式为 X^4+x^3+x+1，对原始报文的编码结果为什么？

首先由生成多项式得出，除数为 11011，其中由于 X 的 2次方没有 1，别的次方位都有 1，所以得出这个结果。

接下来对原始报文的编码进行计算，如下图所示。

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三、海明校验码【重点】

3.1 编码规则

海明校验码的编码规则：
下标为 2 的次方的，为校验位，其余位置为数值位，如下表所示。

首先整理下 10 以内的二进制表示。

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10 = 2^3 + 2^1
9 = 2^3 + 2^0
8 = 2^3 （校验位 3）
7 = 2^2 + 2^1 + 2^0
6 = 2^2 + 2^1
5 = 2^2 + 2^0
4 = 2^2（校验位 2）
3 = 2^1 + 2^0
2 = 2^1（校验位 1）
1 = 2^0（校验位 0）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

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整理发现，包含 2 的 3 次方的非校验位数字有 10、9。
包含 2 的 2 次方的非校验位数字有 7、6、5。
包含 2 的 1 次方的非校验位数字有 10、7、6、3。
包含 2 的 0 次方的非校验位数字有 9、7、5、3。

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所以 r3 = 表格中下标为 10、9 的数字的异或，即 I6 异或 I5。
所以 r2 = 表格中下标为 7、6、5 的数字的异或，即 I4 异或 I3 异或 I2。
所以 r1 = 表格中下标为 10、7、6、3 的数字的异或，即 I6 异或 I5 异或 I3 异或 I1。
所以 r0 = 表格中下标为 9、7、5、3 的数字的异或，即 I5 异或 I4 异或 I2 异或 I1。

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3.2 例题1

若原始报文为 1011，则对原始报文的海明校验编码结果为？

原始报文为 4 位，首先根据公式 4+k+1<2^k ，即 k=3 （校验位为3位），完整码字为7位。

根据二进制拆分可得，包含 2 的 2 次方的非校验位数字有 7、6、5。

所以 R2 = 1 异或 0 异或 1 = 0。

同理，包含 2 的 1 次方的非校验位数字有 7、6、3。

所以 R1 = 1 异或 0 异或 1 = 0。

同理，包含 2 的 0 次方的非校验位数字有 7、5、3。

所以 R1 = 1 异或 1 异或 1 = 1。

所以可得：

所以原始报文的海明校验编码结果为 1010101。

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3.3 例题2

如果接收方收到的数据为 1011101，即第四位校验位接收错误，如何纠错呢？

分别计算校验位和对应匹配的数据位的异或值即可。

和 R2 匹配的数据位是 7 6 5，所以计算 1 异或 1 异或 0 异或 1 = 1。

和 R1 匹配的数据位是 7 6 3，所以计算 0 异或 1 异或 0 异或 1 = 0。

和 R0 匹配的数据位是 7 5 3，所以计算 1 异或 1 异或 1 异或 1 = 0。

只要有一个校验位不为 0，则说明接收数据错误，如果当且仅当只有一个校验位不为 0，说明只是校验位接收错误，数据位正确，无需更改。

因为 R2 = 1，且 R1 和 R0 都为 0，所以可得 R2 位接收错误，直接取反即可，可得正确数据为 1010101。

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3.4 例题 3

如果接收方收到的数据为 1010001，即第五位数据位接收错误，如何纠错呢？

和 R2 匹配的数据位是 7 6 5，所以计算 0 异或 1 异或 0 异或 1 = 0。

和 R1 匹配的数据位是 7 6 3，所以计算 0 异或 1 异或 0 异或 0 = 1。

和 R0 匹配的数据位是 7 5 3，所以计算 1 异或 1 异或 1 异或 0 = 1。

只要有一个校验位不为 0，则说明接收数据错误，如果当且仅当只有一个校验位不为 0，说明只是校验位接收错误，数据位正确，无需更改。

因为 R2 = 0，且 R1 和 R0 都为 1，所以可得上表中下标为 3 的地方接收错误，直接取反即可，可得正确数据为 1010101。

提示：下标 3 的计算方式：2^1 + 2^0 = 3，1 和 0 代表 R1 和 R0。
1

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四、奇偶校验码

奇偶校验码可分为奇校验码和偶校验码。

简单来说在原始报文的尾部（或头部）加一位校验位，奇校验码的校验位等于原始报文中 1 个数对 2 取余，偶校验码 的校验位等于原始报文中 0 个数对 2 取余，如下图所示。

如果原始报文为 011001，那么对于奇校验码，校验位就是 1，因为 原始报文中 1 的个数为 3，3 是奇数，所以校验位是1。

对于偶校验码，校验位是 0，因为 原始报文中 1 的个数为 3，不是偶数，所以校验位是0。

还是举个例子：

相信聪明的小伙伴已经明白了。

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五、总结

本文学习了计算机数据校验的流程，学习了常见的校验方法，比如海明校验码、循环校验码、奇偶校验码，其中海明校验码不但可以检错，还可以纠错，另外两种只能检错不能纠错。