IT用語集 2024/11/19

CRCとは？ 10分でわかりやすく解説

コラム

CRC（Cyclic Redundancy Check）は、デジタルデータの伝送や保存の過程で混入する誤り（ビット化けなど）を検出するための仕組みです。通信、ストレージ、組み込み機器など幅広い場面で使われており、データ整合性を支える基本要素の一つになっています。本記事では、CRCが「何をしているのか」を最初に押さえたうえで、仕組みの考え方、計算の流れ、代表的な用途、設計時に間違えやすいポイントまでを整理します。

CRCとは何か

CRC（Cyclic Redundancy Check）とは、デジタルデータの伝送や保存の際に発生する誤りを検出するための技術の一つです。チェック用の冗長情報（CRC値）をデータに付与し、受信側（または読み出し側）で同じ計算を行って整合性を確認します。CRCは「誤りが混入した可能性」を高い確率で見つけることに長けており、通信やストレージの信頼性を支える基本技術として広く利用されています。

CRCの定義と概要

CRCは、送信するデータに対してあらかじめ決めた規則でCRC値を計算し、そのCRC値をデータに付加します。受信側は受け取ったデータ（CRC値を含む）に対して同じ規則で計算を行い、結果が想定どおりかどうかを確認します。一般に、計算結果が一致していれば誤りは検出されなかったと判断し、矛盾があれば誤りが混入したと判断します。

ここで重要なのは、CRCが保証するのは「誤りの検出」であって、「誤りがないことの証明」ではない点です。CRCは検出能力が高い一方で、生成多項式や設計条件によっては、特定の誤りパターンが未検出となる可能性が残ります。実務では「未検出の確率を十分に小さくする」ことを狙って設計する技術、と捉えるのが現実的です。

CRCの主な特徴は以下の通りです。

誤りを高い確率で検出できる（特にバースト誤りに強い設計が可能）
計算が比較的簡単で、ハードウェア実装がしやすい
データサイズに対して付加する冗長情報（CRC長）を小さく抑えやすい

一方で、暗号的な完全性（改ざん耐性）を目的とした仕組みではありません。悪意ある改ざんを想定する場合は、CRCではなくメッセージ認証コード（MAC）やデジタル署名など、暗号学的な仕組みを検討する必要があります。

CRCの仕組みと原理

CRCは「ビット列を多項式として扱い、生成多項式で割った余りをCRC値として使う」という考え方で説明されます。実装では、通常の割り算をそのまま行うというより、ビット演算（XOR）を用いたシフトレジスタ処理として実現されることが一般的です。

一般的な計算の流れは次のとおりです。

送信データをビット列として表現する
あらかじめ決めた生成多項式（CRC多項式）を用いて計算を行う
計算結果として得られた余り（一定ビット長）をCRC値としてデータに付加する
受信側で同じ生成多項式・同じ条件で計算し、矛盾がないかを確認する

CRC多項式（生成多項式）は、誤り検出の性能に直結します。また、多項式だけでなく、初期値、ビット反転の有無、入力・出力のビット順（反射）などの条件も含めて一致していないと、送受信で計算結果が合いません。実務上のトラブルとしては「多項式は合っているのに、初期値や反射条件が違っていた」というケースがよく見られます。

CRCの種類と特徴

CRCには、生成多項式やCRC長（付加するビット数）によってさまざまな種類があります。代表的な名前としてCRC-16、CRC-32などがよく知られていますが、名称が同じでも派生（初期値や反射条件が異なるバリエーション）が複数存在する点に注意が必要です。仕様書や実装例を読むときは、単に「CRC-16」と書かれているだけでなく、どの派生を指すのかまで確認することが重要です。

種類	多項式	特徴
CRC-16	x^16 + x^15 + x^2 + 1	16ビットCRCの代表例。通信や機器間プロトコルでの利用例が多い
CRC-32	x^32 + x^26 + x^23 + x^22 + x^16 + x^12 + x^11 + x^10 + x^8 + x^7 + x^5 + x^4 + x^2 + x + 1	32ビットCRC。一般に16ビットより未検出確率を下げやすい
CRC-CCITT	x^16 + x^12 + x^5 + 1	通信分野で広く使われる16ビット系の代表例（派生も多い）

CRC長が長いほど、ランダム誤りに対する未検出確率は概ね小さくなります。ただし、CRCの性能はCRC長だけで決まるわけではなく、生成多項式の選択と設計条件（初期値など）がセットで効きます。用途の誤りモデル（単発ビット誤りが多いのか、連続したバースト誤りが多いのか）に合わせて選ぶのが基本です。

CRCの利点と欠点

CRCの利点は以下の通りです。

誤り検出能力が高い（設計によりバースト誤りへの強さを確保しやすい）
計算が比較的簡単で、ハードウェア実装に向く
付加する冗長情報が小さく、帯域・容量の負担を抑えやすい

一方で、欠点や誤解されやすい点もあります。

誤りの訂正はできない（検出のみであり、訂正は別手段が必要）
仕様・実装条件が一致しないと検証に失敗する（多項式以外の条件が重要）
悪意ある改ざんの検出を目的とした仕組みではない
データ量が増えるほど計算負荷が増えるため、実装方式の選択が重要になる

CRCは誤り検出に優れた技術ですが、誤り訂正が必要な場面ではFEC（前方誤り訂正）などの方式と組み合わせたり、再送制御（ARQ）と併用したりするのが一般的です。また、セキュリティ目的（改ざん検知）で整合性を守りたい場合は、CRCではなく暗号学的な方式を選ぶ必要があります。

CRCの用途と応用

通信システムにおけるCRCの役割

通信システムでは、伝送中のノイズや干渉、ハードウェアの一時的な不調などによってビット誤りが起き得ます。CRCは、こうした誤りが混入した可能性を受信側で検出し、フレームやメッセージを破棄・再送する判断材料として使われます。たとえば、イーサネットやWi-Fiでは、フレーム末尾にCRC（FCSとして扱われることが多い）が付加され、受信側が計算結果を照合することで誤りを検出します。

通信でCRCが重宝される理由は、検出能力と実装容易性のバランスが良い点にあります。高速リンクでは、CPUで逐次計算するよりも、NICや通信ICがハードウェアでCRCを計算し、ラインレートで処理できる構成が一般的です。

データストレージにおけるCRCの活用

ストレージ分野では、書き込み時と読み出し時でデータが一致しているかを確認するためにCRCが使われます。媒体劣化や転送エラー、メモリ内の一時的なビット化けなど、保存・読み出し過程でも誤りが起きる可能性があるためです。CRCは、こうした誤りの検出により「壊れたデータを壊れたまま上位に渡さない」ための基本的な仕組みとして機能します。

なお、RAIDなどの冗長化は「失われたデータを復元する」ための仕組みであり、CRCは「そのデータが壊れていることを検出する」ための仕組みです。両者は目的が異なるため、併用される場面もありますが、CRCを使えば必ず復旧できる、という関係ではありません。

組み込みシステムでのCRCの実装

組み込みシステムでは、限られたCPU性能やメモリ、電力の中で高い信頼性が求められます。センサー値の受け渡し、制御メッセージ、ファームウェア更新、ログ保存など、誤りが致命的になりやすい場面も多いため、CRCによる整合性確認は定番の手段です。

組み込みで実装する際は、単にCRCを入れるだけではなく、どこで計算し、どこで検証し、誤り検出時にどう振る舞うか（破棄・再送・フェイルセーフ）まで含めて設計する必要があります。特に、エラー検出後の処理が曖昧だと、検出しても運用上の意味が薄くなります。

組み込みシステムでCRCを実装する際の注意点は、次のように整理できます。

メモリ使用量と計算負荷を考慮し、CRC長と生成多項式を選ぶ
可能ならハードウェアCRC機能を活用し、処理の負担を下げる
初期値・反射・XORアウトなどの条件を仕様として固定し、実装を統一する
テストデータ（既知の入力と期待CRC値）を用意して実装妥当性を検証する

ネットワークプロトコルとCRC

ネットワークプロトコルでは、フレームやメッセージ単位でCRCを持ち、下位層で誤りを検出する構成が多く採用されています。ただし、どの層がどの種類のチェックを持つかはプロトコル設計によって異なります。CRCが入っている層があるからといって、上位層での整合性チェックが不要とは限りません。たとえば、リンク層でCRCによる検出を行っても、上位層で別の整合性検査（チェックサムやメッセージ認証）が必要になる場合があります。

プロトコル	用途
Ethernet	フレームの整合性確認（受信側で誤り検出し、破棄判断に使う）
TCP/IP	プロトコルによりチェック方式が異なる（CRCではなくチェックサムが中心の領域もある）
Modbus	メッセージの整合性確認（CRCを使う実装が多い）

CRCは通信・ストレージ・組み込みといった幅広い領域で、データ整合性の確認に使われています。ただし「どの誤りをどの確率で検出したいのか」「検出した後にどう処理するのか」を明確にしないと、導入しても期待した効果が出にくい点には注意が必要です。

CRCの計算方法

CRCアルゴリズムの基本

CRC計算の基本は、データをビット列として扱い、生成多項式に基づく演算を行って余りを求めることです。送信側はその余りをCRC値として付与し、受信側は同じ条件で計算して整合性を確認します。

実装上は、シフトレジスタとXOR演算を用いた逐次処理として表現されることが多く、ビット単位で計算する方法と、バイト単位でテーブル参照により高速化する方法があります。どの方式を採用するかは、処理速度、メモリ、電力、実装コストなどの制約で決まります。

生成多項式の選択と影響

CRCの性能は、生成多項式（CRC多項式）の選択に大きく依存します。一般に、次数（CRC長）が大きいほど、ランダム誤りに対する未検出確率を下げやすくなりますが、誤り検出能力の得意・不得意は多項式の性質にも左右されます。特にバースト誤りへの強さは、多項式選択の影響が大きい領域です。

また、多項式の選択と同じくらい重要なのが、以下の実装パラメータです。

初期値（初期レジスタ値）
入力ビットの反射（RefIn）と出力ビットの反射（RefOut）
最終XOR（XorOut）
CRCを付加する位置やエンディアン（バイト順）

名称だけで「CRC-32を使っている」と言っても、これらの条件が違えば結果は一致しません。仕様として固定し、実装間でぶれないようにすることが、運用上のトラブル防止につながります。

ハードウェアとソフトウェアでのCRC計算

CRC計算は、ハードウェアでもソフトウェアでも実装できます。ハードウェア実装は、通信ICやMCUの周辺回路、NICなどがCRC機能を持つ場合に有効で、ラインレート処理やCPU負荷低減につながります。一方、ソフトウェア実装は、プラットフォーム依存を抑えやすく、仕様変更にも対応しやすい反面、処理速度や消費電力が課題になることがあります。

実務では、まずソフトウェアで正しさを検証し、必要に応じてハードウェア支援を使う、という進め方がよく採られます。いずれの方式でも、同一条件で同一結果が得られるかを、既知のテストベクトルで確認することが欠かせません。

CRCの最適化技術

CRC計算の速度や効率を上げるために、さまざまな最適化が用いられます。代表例は次のとおりです。

テーブルルックアップ方式：事前計算テーブルを使い、バイト単位で高速にCRCを更新する
スライシング方式：複数テーブルを使い、より大きな単位で処理して高速化する（環境によっては有効）
並列処理：ハードウェアやSIMD命令などを活用し、処理を並列化する
ハードウェアアクセラレーション：MCU内蔵のCRCユニットなどを使い、CPU負荷を下げる

ただし最適化は、速度だけでなく、コードサイズ、メモリ使用量、テーブルの初期化コスト、実装の複雑さなどのトレードオフも伴います。要件（通信速度、フレームサイズ、MCU性能など）に合わせて、過不足のない方式を選ぶことが現実的です。

CRCは「多項式＋実装条件＋計算方式」の組み合わせで成立します。用途に応じて性能と実装コストのバランスを取りながら設計することで、整合性チェックとして十分に機能します。

CRCのベストプラクティス

CRC設計上の留意点

CRCを設計・導入する際は、「何を守りたいのか」を先に定義しておくことが重要です。たとえば、通信であれば誤りが混入したフレームを確実に破棄できること、ストレージであれば読み出し時に破損を検知できること、組み込みであればフェイルセーフにつなげられることなど、目的により設計の焦点が変わります。

用途に合ったCRC長と生成多項式を選択する
初期値、反射、最終XOR、バイト順などの条件を仕様として固定する
エラー検出時の振る舞い（破棄、再送、冗長系切替など）をあらかじめ決めておく
互換性が必要な場合は、既存規格や相互接続先の実装条件に合わせる
テストベクトルを用意し、実装が正しいことを継続的に検証できるようにする

適切なCRC設計は、検出性能だけでなく、運用時の切り分けや再発防止にも効いてきます。たとえば、ログにCRC不一致を残して原因分析につなげる、再送回数の閾値を設ける、といった運用面まで含めて整理しておくと、導入後に困りにくくなります。

CRCの検出能力と限界

CRCは高い誤り検出能力を持ちますが、万能ではありません。限界を理解したうえで、必要に応じて他方式と併用することが重要です。

生成多項式や条件によって、検出が苦手な誤りパターンが存在する
バースト誤りへの強さは多項式選択に依存する
暗号学的な改ざん耐性は持たない
システム全体としての未検出リスクは、データ長・誤り率・運用条件の影響を受ける

たとえば、通信品質が悪く誤りが多発する環境では、CRCだけでなく再送制御や冗長化設計を組み合わせる必要があります。また、悪意ある改ざん対策が必要な場合はCRCでは目的を満たせないため、MACや署名といった別の仕組みが必要です。

CRCと他のエラー検出手法の比較

CRC以外にも、誤り検出や訂正の方式は複数あります。比較の観点としては「検出能力」「計算コスト」「実装容易性」「訂正の可否」が代表的です。

手法	特徴
CRC	検出能力が高い。ハードウェア実装もしやすい。訂正はできない
パリティ	最も簡単。検出能力は限定的で、複数ビット誤りに弱い
チェックサム	実装が簡単でソフトウェア向き。検出能力はCRCより一般に弱い
ハミング符号	誤り訂正が可能。実装と設計が比較的複雑になりやすい

実務では、リンク層でCRC、上位層でチェックサム、さらにセキュリティ用途でMACを併用するなど、目的に応じて階層的に使い分ける設計も一般的です。

CRCの効果的な導入事例

CRCはさまざまな領域で使われていますが、導入効果を出すうえで重要なのは「検出した後の扱い」まで含めて設計されていることです。代表的な活用例を整理します。

通信システム：フレーム末尾にCRCを付加し、誤り検出時はフレームを破棄して再送制御へつなげる
ストレージシステム：書き込み時にCRCを記録し、読み出し時に照合して破損データの利用を防ぐ
組み込みシステム：センサー値や制御メッセージにCRCを付け、異常検知時はフェイルセーフや再取得へ切り替える

このように、CRCは「誤りが混入したデータを素通りさせない」ための基本部品として有効です。適切な多項式と実装条件を選び、テストと運用設計まで含めて導入することで、システム全体の信頼性と安定性の底上げにつながります。

まとめ

CRC（Cyclic Redundancy Check）は、データ伝送や保存の過程で混入する誤りを高い確率で検出する技術です。通信、ストレージ、組み込みなど幅広い分野で利用され、データ整合性の確保に貢献しています。CRCは計算が比較的簡単でハードウェア実装にも向く一方、訂正機能は持たず、実装条件（初期値や反射など）が一致しないと整合性確認に失敗します。また、悪意ある改ざんへの耐性を目的とした仕組みではないため、用途によっては暗号学的手法との併用が必要です。目的に合った多項式と条件を選び、テストベクトルによる検証とエラー時の運用まで含めて設計することが重要です。