[C言語] 誤り検出符号の実装と活用法

2025-04-15更新日: 2025-04-15

C言語で誤り検出符号を実装する際には、一般的にパリティビットやチェックサム、CRC(巡回冗長検査)などの手法が用いられます。

これらの手法は、データの送受信時に発生する誤りを検出するために使用されます。

例えば、パリティビットはデータのビット数が偶数か奇数かを確認することで誤りを検出します。

チェックサムはデータの合計値を計算し、送信側と受信側で一致するかを確認します。

CRCは多項式を用いてデータを検査し、高い誤り検出能力を持ちます。

これらの手法は、通信プロトコルやデータストレージシステムで広く活用されています。

目次から探す

誤り検出符号の基礎知識
C言語での誤り検出符号の実装
誤り検出符号の活用法
C言語での誤り検出符号の応用例
まとめ

誤り検出符号の基礎知識

誤り検出符号とは

誤り検出符号は、データ通信やデータ保存の際に発生する可能性のある誤りを検出するための技術です。

データが送信される過程で、ノイズや障害によってデータが変化することがあります。

誤り検出符号は、こうした誤りを検出し、データの正確性を確認するために使用されます。

代表的な誤り検出符号には、パリティビット、チェックサム、CRC(巡回冗長検査)などがあります。

誤り検出と誤り訂正の違い

誤り検出と誤り訂正は、データの正確性を確保するための異なるアプローチです。

特徴	誤り検出	誤り訂正
目的	データの誤りを検出する	データの誤りを修正する
使用例	パリティビット、チェックサム、CRC	ハミング符号、リード・ソロモン符号
処理	誤りがあるかどうかを確認	誤りを修正して正しいデータを復元

誤り検出は、データに誤りがあるかどうかを確認するだけで、誤りを修正することはできません。

一方、誤り訂正は、誤りを検出した後に修正し、正しいデータを復元することができます。

誤り検出符号の重要性

誤り検出符号は、データ通信やデータ保存の信頼性を向上させるために非常に重要です。

以下のような理由から、誤り検出符号は広く利用されています。

データの信頼性向上: 誤り検出符号を使用することで、データの誤りを早期に発見し、再送信や修正を行うことができます。
コスト削減: 誤りを早期に検出することで、データの再送信や修正にかかるコストを削減できます。
システムの安定性向上: 誤り検出符号を導入することで、システム全体の安定性と信頼性を向上させることができます。

誤り検出符号は、特に通信プロトコルやデータストレージシステムにおいて、データの正確性を確保するために欠かせない技術です。

C言語での誤り検出符号の実装

パリティビットの実装

パリティビットは、データのビット数が偶数か奇数かを確認するための単純な誤り検出方法です。

以下は、C言語でパリティビットを計算する簡単な例です。

#include <stdio.h>
// パリティビットを計算する関数
int calculateParity(unsigned char data) {
    int parity = 0;
    while (data) {
        parity ^= (data & 1);
        data >>= 1;
    }
    return parity;
}
int main() {
    unsigned char data = 0b10101010; // サンプルデータ
    int parity = calculateParity(data);
    printf("パリティビット: %d\n", parity);
    return 0;
}

パリティビット: 0

このプログラムは、8ビットのデータに対してパリティビットを計算し、結果を表示します。

パリティビットが0であれば偶数パリティ、1であれば奇数パリティです。

チェックサムの計算方法

チェックサムは、データの誤りを検出するためにデータ全体の合計を計算する方法です。

以下は、C言語で簡単なチェックサムを計算する例です。

#include <stdio.h>
// チェックサムを計算する関数
unsigned int calculateChecksum(unsigned char *data, size_t length) {
    unsigned int checksum = 0;
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        checksum += data[i];
    }
    return checksum;
}
int main() {
    unsigned char data[] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78}; // サンプルデータ
    size_t length = sizeof(data) / sizeof(data[0]);
    unsigned int checksum = calculateChecksum(data, length);
    printf("チェックサム: %u\n", checksum);
    return 0;
}

チェックサム: 276

このプログラムは、データ配列の各バイトを合計してチェックサムを計算し、結果を表示します。

CRC(巡回冗長検査)の実装

CRCの基本

CRC(巡回冗長検査)は、データの誤りを検出するための強力な方法です。

CRCは、データを特定の多項式で割ることで計算されます。

結果として得られる余りがCRC値です。

CRCの計算手順

CRCの計算は、以下の手順で行われます。

データに特定の多項式を適用して割り算を行う。
割り算の余りをCRC値として使用する。

以下は、C言語でCRCを計算する例です。

#include <stdio.h>
// CRCを計算する関数
unsigned int calculateCRC(unsigned char *data, size_t length) {
    unsigned int crc = 0xFFFF; // 初期値
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 1) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001; // 多項式
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}
int main() {
    unsigned char data[] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78}; // サンプルデータ
    size_t length = sizeof(data) / sizeof(data[0]);
    unsigned int crc = calculateCRC(data, length);
    printf("CRC: %04X\n", crc);
    return 0;
}

CRC: 107B

このプログラムは、データ配列に対してCRCを計算し、結果を16進数で表示します。

完全なサンプルコード

以下は、パリティビット、チェックサム、CRCのすべてを計算する完全なサンプルコードです。

#include <stdio.h>
// パリティビットを計算する関数
int calculateParity(unsigned char data) {
    int parity = 0;
    while (data) {
        parity ^= (data & 1);
        data >>= 1;
    }
    return parity;
}
// チェックサムを計算する関数
unsigned int calculateChecksum(unsigned char *data, size_t length) {
    unsigned int checksum = 0;
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        checksum += data[i];
    }
    return checksum;
}
// CRCを計算する関数
unsigned int calculateCRC(unsigned char *data, size_t length) {
    unsigned int crc = 0xFFFF; // 初期値
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 1) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001; // 多項式
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}
int main() {
    unsigned char data[] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78}; // サンプルデータ
    size_t length = sizeof(data) / sizeof(data[0]);
    // パリティビットの計算
    int parity = calculateParity(data[0]); // 1バイト目のパリティ
    printf("パリティビット: %d\n", parity);
    // チェックサムの計算
    unsigned int checksum = calculateChecksum(data, length);
    printf("チェックサム: %u\n", checksum);
    // CRCの計算
    unsigned int crc = calculateCRC(data, length);
    printf("CRC: %04X\n", crc);
    return 0;
}

パリティビット: 0
チェックサム: 276
CRC: 107B

このプログラムは、データ配列に対してパリティビット、チェックサム、CRCを計算し、それぞれの結果を表示します。

これにより、異なる誤り検出方法を比較し、適切な方法を選択することができます。

誤り検出符号の活用法

通信プロトコルでの利用

誤り検出符号は、通信プロトコルにおいて非常に重要な役割を果たします。

データが送信される際、ノイズや干渉によってデータが変化する可能性があります。

誤り検出符号を使用することで、受信側はデータの誤りを検出し、必要に応じて再送信を要求することができます。

これにより、通信の信頼性が向上し、データの正確性が保証されます。

TCP/IPプロトコル: インターネットの基盤となるTCP/IPプロトコルでは、チェックサムを使用してデータパケットの誤りを検出します。
無線通信: 無線通信では、信号の劣化が発生しやすいため、誤り検出符号が不可欠です。

例えば、Wi-FiやBluetoothでは、誤り検出と訂正のために様々な符号化技術が使用されています。

データストレージシステムでの利用

データストレージシステムでは、データの保存中に発生する可能性のある誤りを検出するために誤り検出符号が使用されます。

ハードディスクやSSDなどのストレージデバイスは、データの読み書き中に誤りが発生することがあります。

誤り検出符号を使用することで、データの整合性を確認し、誤りを早期に発見することができます。

RAIDシステム: RAID(Redundant Array of Independent Disks)システムでは、パリティビットを使用してデータの冗長性を確保し、ディスク障害時にデータを復元します。
ファイルシステム: 一部のファイルシステムでは、チェックサムを使用してファイルの整合性を確認し、データの破損を防ぎます。