12.13 Prüfsummen
 
Damit Fehler bei Dateien oder bei Übertragungen von Daten auffallen, wird eine Prüfsumme (engl. checksum) gebildet. Prüfsummen werden vor der Übertragung erstellt und mit dem Paket versendet. Der Empfänger berechnet diese Prüfsumme neu und vergleicht sie mit dem übertragenen Wert. Stimmt der berechnete Wert mit dem übertragenen überein, so war die Übertragung höchstwahrscheinlich in Ordnung. Es sollte ziemlich unwahrscheinlich sein, dass eine Änderung einzelner Bit nicht auffällt. Prüfsummen erkennen auch korrupte Archive. Pro Datei wird eine Prüfsumme berechnet. Soll die Datei entpackt werden, so errechnen wir wieder die Summe. Ist diese fehlerhaft, muss auch die Datei fehlerhaft sein. (Wir wollen hier ausschließen, dass zufälligerweise die Prüfsumme fehlerhaft ist, was natürlich ebenfalls der Fall sein kann.)
12.13.1 Die Schnittstelle Checksum
 
Wir finden Zugang zur Prüfsummenberechnung über die Schnittstelle java.util.zip. Checksum, die für ganz allgemeine Prüfsummen steht. Eine Prüfsumme wird entweder für ein Feld oder ein Byte berechnet. Checksum liefert die Schnittstelle zum Initialisieren und Auslesen von Prüfsummen, die von konkreten Prüfsummen-Klassen implementiert werden muss.
interface java.util.zip. Checksum
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long getValue()
Liefert die aktuelle Prüfsumme. |
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void reset()
Setzt die aktuelle Prüfsumme auf einen Anfangswert. |
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void update( int b )
Aktualisiert die aktuelle Prüfsumme mit b. |
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void update( byte[] b, int off, int len )
Aktualisiert die aktuelle Prüfsumme mit dem Feld. |
Bisher finden sich in den Java-Bibliotheken nur die Klassen CRC32 und Adler32, die von der Schnittstelle Checksum Gebrauch machen. Aber mit wenig Aufwand lässt sich beispielsweise eine Klasse schreiben, die die einfache Paritätsüberprüfung übernimmt. Dies können wir zum Beispiel bei der Übertragung von Daten an der seriellen Schnittstelle verwenden. (Glücklicherweise ist dies im Fall der seriellen Schnittstelle schon in der Hardware implementiert.)
Die Standardbibliothek bietet bisher zwei Klassen für die Prüfsummenberechung als Implementierungen von Checksum.
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java.util.zip.CRC32. CRC32 basiert auf einer zyklischen Redundanzprüfung und testet etwa Zip-Archive oder PNG-Grafiken. |
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java.util.zip.Adler32. Die Berechnung von CRC32-Prüfsummen kostet – obwohl in C programmiert – viel Zeit. Eine Adler32-Prüfsumme kann wesentlich schneller berechnet werden und bietet ebenso eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass Fehler unentdeckt bleiben. |
12.13.2 Die Klasse CRC32
 
Oft werden Prüfsummen durch Polynome gebildet. Eine häufig für Dateien verwendete Prüfsumme heißt CRC32, und das bildende Polynom lautet:
x32
+x26
+x23
+x22
+x16
+x12
+x11
+x10
+x8
+x7
+x5
+x4
+x2
+x+1
Nun lässt sich zu einer 32-Bit-Zahl eine Prüfsumme berechnen, die genau für diese vier Byte steht. Damit bekommen wir aber noch keinen ganzen Block kodiert. Um das zu erreichen, berechnen wir den Wert eines Zeichens und Xor-verknüpfen den alten CRC-Wert mit dem neuen. Jetzt lassen sich beliebig Blöcke sichern. Ohne groß zu überlegen, dürfte klar sein, dass viel Zeit für die Berechnung aufgewendet werden muss. Bisher ist der mathematische Algorithmus auch nicht in Java, sondern in C implementiert.
Beispiel CRC32 berechnet eine Prüfsumme entweder für ein Byte oder für ein Feld.
In aller Kürze sieht ein Programm zur Berechnung von Prüfsummen für Dateien dann folgendermaßen aus (in ist ein InputStream-Objekt):
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CRC32 crc = new CRC32();
byte[] ba = new byte[(int)in.available() ];
in.read( ba );
crc. update ( ba );
in.close();
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CRC32 implementiert nicht nur alle Methoden, sondern fügt noch zwei Funktionen und natürlich einen Konstruktor hinzu.
class java.util.zip. CRC32
implements Checksum
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CRC32()
Erzeugt ein neues CRC32-Objekt mit der Start-Prüfsumme 0. |
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long getValue()
Liefert den CRC32-Wert. |
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void reset()
Setzt die interne Prüfsumme auf 0. |
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void update( byte[] b )
Aktualisiert die Prüfsumme mit dem Feld, durch Aufruf von update(b, 0, b.length). |
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void update( int b )
Implementiert update() aus Checksum für ein Byte. Nativ implementiert. |
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void update( byte[] b, int off, int len )
Implementiert update() aus Checksum für ein Feld. Nativ implementiert. |
CRC eines Datenstroms berechnen
Eine Möglichkeit, die CRC32 eines Datenstroms zu berechnen, bestünde darin, einen Datenstrom entgegenzunehmen und anschließend so lange Bytefolgen auszulesen, bis available() null liefert. An diesem Punkt lässt sich mit update() jeweils die Prüfsumme korrigieren. Bei großen Dateien ist es sicherlich angebracht, Blöcke einzulesen, die dann mit der crc.update(byte[])-Methode verarbeitet werden. Für diese Aufgabe verfügt die Java-Bibliothek über zwei Filter-Klassen: CheckedInputStream und CheckedOutputStream. Beide sind Filter, die existierende andere Streams ummanteln und gleichzeitig die Berechnung erledigen.
Listing 12.31
CRC32Demo.java
import java.io.*;
import java.util.zip.*;
class CRC32Demo
{
static public void main( String[] args )
{
InputStream in = CRC32Demo.class.getResourceAsStream( "CRC32Demo.java" );
if ( in == null )
return;
try
{
CRC32 crc = new CRC32();
CheckedInputStream cis = new CheckedInputStream( in, crc );
while ( cis.read() != –1 ) { /* Bis Ende lesen. */ }
System.out.printf( "%X", crc.getValue() );
}
catch ( IOException e ) {
e.printStackTrace();
}
finally {
try { in.close(); } catch ( IOException e ) { e.printStackTrace(); }
}
}
}
12.13.3 Die Adler32-Klasse
 
Der Algorithmus ist nach seinem Programmierer Mark Adler benannt und stellt eine Erweiterung des Fletcher1
–Algorithmus dar, definiert im ITU-T X.224/ISO 8073 Standard, auf 32-Bit-Zahlen. Die Adler32-Prüfsumme setzt sich aus zwei Summen für ein Byte zusammen. s1 ist die Summe aller Byte und s2 die Summe aller s1. Beide Werte werden Modulo 65521 genommen. Am Anfang ist s1 = 1 und s2 = 0. Die Adler32-Prüfsumme speichert den Wert als s2 * 65536 + s1 in der MSB (Most-Significant-Byte First, Netzwerkreihenfolge).
Eine Beschreibung der Kompression und des Adler32-Algorithmus findet sich im Internet-Draft »ZLIB Compressed Data Format Specification version 3.3«.
class java.util.zip. Adler32
implements Checksum
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Adler32()
Erzeugt ein neues Adler32-Objekt mit der Start-Prüfsumme 1. |
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long getValue()
Liefert den Adler32-Wert. |
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void reset()
Setzt die interne Prüfsumme auf 1. |
Die update()-Methoden werden aus dem Interface implementiert.
1 Fletcher, J. G., »An Arithmetic Checksum for Serial Transmissions«. IEEE Transactions on Communications, Ausgabe. COM-30, Nummer. 1, Januar 1982, Seite 247–252.
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