校验和（Checksum）介绍、用Java计算校验和、验证校验和

介绍

校验和（Checksum）参考文献RFC1071：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc1071.html

计算校验和、验证校验和

发送端计算校验和的步骤

1）待计算校验和的数据的字节数如果偶数，后面不需要补字节；如果字节数是奇数，在后面补一字节（0x00）。（备注：补的全为0的这个字节仅仅是计算校验和使用，并不发送出去）
2）将每两个相邻的字节作为一组，组成一个16位的整数。
3）将组成的16位的整数系列计算1的补码和—就是先求二进制的和，然后再将超过最高有效位的进位（carries）加到结果的最低有效位上。
4）将上边计算的和取1的补码，即二进制中的1变0，0变1，结果就是最终的校验和。
5）校验和字段清零，存入上一步计算出来的校验。

接收端验证校验和的步骤

1）如果接收到的数据（包含校验和字段）是偶数个字节，不需要考虑补一个字节的事情，直接跳到第3步。
2）如果接收到的数据（包含校验和字段）是奇数个字节，在校验和两个字节的前面插入一个字节（0x00），即在纯数据和校验和之间补一字节（0x00）。
3）每两个字节组成一个16位的整数，对这个整数系列计算1的补码和—就是先求二进制的和，然后再将超过最高有效位的进位（carries）加到结果的最低有效位上。
4）如果计算得到的结果各位全部是1（在1的补码中表示-0），那么就表示结果正确。

原理示意

要计算校验和的纯数据是偶数个字节

计算校验和

例如计算0xF6, 0xF7, 0x00, 0x01, 0xF4, 0xF5, 0xF2, 0x03这个字节序列的校验和。
因为要计算校验和的纯数据是偶数个字节，所以不需要考虑补1个字节的事情。
1） F6F7 + 0001 = F6F8
2） F6F8 + F4F5 = 1 EBED， 其中前面的1是超过最高有效位的进位
3） 1 EBED + F203 = 2 DDF0， 其中前面的2是超过最高有效位的进位
4） 将超过最高有效位的进位丢弃，然后将该丢弃的进位加到DDF0的最低有效位上，即DDF0 + 2 = DDF2
5）将DDF2求1的补码，即0变1,1变0，得到最终的校验和为220D，将这个填到校验和字段中。
6）最后发送出去的字节序列是（包含校验和）：0xF6, 0xF7, 0x00, 0x01, 0xF4, 0xF5, 0xF2, 0x03, 0x22, 0x0D

验证校验和

此时要验证的字节系列为0xF6, 0xF7, 0x00, 0x01, 0xF4, 0xF5, 0xF2, 0x03, 0x22, 0x0D，其中后面的220D是发送端发送过来的校验和字段的值。
因为接收到的数据（包括校验和）是偶数个字节，所以不需要考虑补1个字节的事情。
1） F6F7 + 0001 = F6F8
2） F6F8 + F4F5 = 1 EBED， 其中前面的1是超过最高有效位的进位
3） 1 EBED + F203 = 2 DDF0 ， 其中前面的2是超过最高有效位的进位
4）2 DDF0 + 220D= 2 FFFD， 其中前面的2是超过最高有效位的进位
5） 将超过最高有效位的进位丢弃，然后将该丢弃的进位加到FFFD的最低有效位上，即FFFD+ 2 = FFFF。结果各位全部为1，正确。

要计算校验和的纯数据是奇数个字节

计算校验和

假设计算0xF6, 0xF7, 0x01这个字节系列的校验和。

1）因为要计算校验和的纯数据是奇数个字节，所以要在后面补一个字节0x00，补充后的字节序列是0xF6, 0xF7, 0x01, 0x00。
2）计算上面字节序列的1的补码和：F6F7 + 0100 = F7F7
3）将F7F7取1的补码，即0变1,1变0，得到最终的校验和为0x0808，将这个填到校验和字段中。
4）最后发送出去的字节序列是（包含校验和）：0xF6, 0xF7, 0x01, 0x08, 0x08。

验证校验和

假设收到的要验证的字节系列为0xF6, 0xF7, 0x01, 0x08, 0x08，其中后面的0x0808是发送端发送过来的校验和字段的值。

1） 因为接收到的数据（包括校验和）是奇数个字节，所以要在纯数据和校验和之间补一个字节的0x00，补充后的字节序列是0xF6, 0xF7, 0x01, 0x00, 0x08, 0x08。
2） 计算上面字节序列的1的补码和：F6F7 + 0100 + 0808 = FFFF。结果各位全部为1，正确。

Java代码举例

计算校验和、验证校验和的功能类

package com.thb;

/**
 * 该类提供校验和的功能，计算校验和、检查校验和、计算1的补码和
 * @author thb
 *
 */
public class ChecksumUtil {

	/**
	 * 根据输入的字节数组数据计算校验和。校验和就是RFC1071描述的校验和
	 * @param sourceData 输入数据
	 * @return 16比特位的校验和
	 */
	public static short calculateChecksum(byte[] sourceData) {	
		short checksum;	
		
		// 计算1的补码和
		checksum = calculateOnesComplementSum(sourceData);
		// 将1的补码和取反，即0变1，1变0，就是校验和
		checksum = (short)(~checksum);
		return checksum;
	}
	
	/**
	 * 验证校验和
	 * 因为接收到的数据中包含了发送端填写的校验，所以接收端对接收到的数据计算
	 * 1的补码和，如果结果全为1，校验正确；否则，校验错误。
	 * @param receivedData 接收端收到的数据，其中最后两个字节是校验和
	 * @return true：检查成功， false:检查失败
	 */
	public static boolean checkChecksum(byte[] receivedData) {		
		short onesComplementSum;		
		
		if ((receivedData.length % 2) == 0) {
			 // 如果传入的数据是偶数个字节，那么直接计算1的补码和
			onesComplementSum = calculateOnesComplementSum(receivedData);
		} else {
			// 如果传入的数据是奇数个字节，要在数据后面补一个字节0x00，后面再跟两个字节的校验和
			// 构造一个数据数组，偶数个字节
			byte[] data = new byte[receivedData.length + 1];
			// 将原数据(除校验和两个字段外)先拷贝到data中
			System.arraycopy(receivedData, 0, data, 0, receivedData.length - 2);
			// 数据后面最后一个字节填充0x00
			data[data.length - 3] = (byte)0x00;
			// 将校验和两个字节拷贝到data中
			System.arraycopy(receivedData, receivedData.length - 2 , data, data.length - 2, 2);
			// 计算1的补码和
			onesComplementSum = calculateOnesComplementSum(data);
		}		
		
		return onesComplementSum == (short)0xFFFF;
	}
	
	/**
	 * 根据输入的字节数组数据计算16比特位的1的补码和（1's complement sum）。	
	 * 就是将输入数据每两个字节组成一个16比特位的整数，然后将该整数系列二进制相加，
	 * 并经超过最高有效位的进位丢弃，并经该丢弃的进位加到最低有效位上。
	 * @param data 输入数据
	 * @return 16比特位的1的补码和
	 */
	public static short calculateOnesComplementSum(byte[] data) {
		// 考虑到进位，所以中间结果用32比特位的整数存放，高位两个字节存储的是进位
		int middleSum = 0;		
		
		for (int i = 0; i < data.length; i += 2) {			
			if (data.length % 2 == 0) { // 输入数据的总字节数是偶数
				// 将两个相邻的字节组合成一个整数，并和前面的整数和相加
				middleSum += ((0xFF00 & (data[i] << 8)) | (0x00FF & data[i + 1]));
			} else {  // 输入数据的总字节数是奇数
				// 如果已经到了数据的最后一个字节，后面要补一个各bit位全为0的字节
				if (i == (data.length - 1)) {
					middleSum += ((0xFF00 & (data[i] << 8)) | (0x00FF & 0x00));
				} else {
					middleSum += ((0xFF00 & (data[i] << 8)) | (0x00FF & data[i + 1]));
				}
			}
		}		

		// 定义进位变量
		short carries;
		// 将进位取出来
		carries = (short)((middleSum & 0xFFFF0000) >> 16);
		// 因为将进位加到后面两个字节上，可能又产生了进位，所以要用循环判断处理，
		// 直到不产生进位了为止
		while (carries != 0) { 
			// 将sum的前面两个字节清零，准备下面的计算
			middleSum = (middleSum & 0x0000FFFF);
			// 将进位加到后面两个字节上
			middleSum += carries;
			// 将进位再取出来，因为上面相加后可能又产生了进位
			carries = (short)((middleSum & 0xFFFF0000) >> 16);
		}		

		// 将上面计算结果的低端2个字节取出来返回，就是1的补码和
		return (short)(middleSum & 0x0000FFFF);
	}
}
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调用场景举例：要计算校验和的纯数据是偶数个字节

package com.thb;

public class Test2 {

	public static void main(String[] args) {
		// 发送端的原始数据
		byte[] sourceData = new byte[] {(byte)0x01, (byte)0x06, 0x00, 0x06, (byte)0x37, (byte)0x02, (byte)0x23, (byte)0x23};	
		short checksum = ChecksumUtil.calculateChecksum(sourceData);
		System.out.println("checksum: 0x" + Integer.toHexString(Short.toUnsignedInt(checksum)));		

		byte[] dstData = new byte[] {(byte)0x01, (byte)0x06, 0x00, 0x06, (byte)0x37, (byte)0x02, (byte)0x23, (byte)0x23, (byte)0xa4, (byte)0xce};
		boolean result = ChecksumUtil.checkChecksum(dstData);
		System.out.println("verify checksum result: " + result);
	}

}
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运行输出：

checksum: 0xa4ce
verify checksum result: true
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调用场景举例：要计算校验和的纯数据是奇数个字节

package com.thb;

public class Test2 {

	public static void main(String[] args) {
		// 发送端的原始数据	
		byte[] sourceData = new byte[] {(byte)0x01, (byte)0x00, 0x00, 0x00, (byte)0x04, (byte)0x18, (byte)0x28, (byte)0x38, (byte)0x48};		
		short checksum = ChecksumUtil.calculateChecksum(sourceData);
		System.out.println("checksum: 0x" + Integer.toHexString(Short.toUnsignedInt(checksum)));
		
		byte[] dstData = new byte[] {(byte)0x01, (byte)0x00, 0x00, 0x00, (byte)0x04, (byte)0x18, (byte)0x28, (byte)0x38, (byte)0x48, (byte)0x8a, (byte)0xaf};
		boolean result = ChecksumUtil.checkChecksum(dstData);
		System.out.println("verify checksum result: " + result);
	}

}
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运行输出：

checksum: 0x8aaf
verify checksum result: true
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