物联网平台设计心得:你所不知道的CRC校验
在物联网平台设计过程中,我的中间件一方面需要处理来自于硬件端的包,另一方面需要处理来自于用户端的包,用户端包括web端和手机端等等。所以编写一个统一的CRC认证是非常必须要。
那么,在设计开始,CRC认证到底是什么呢?所谓的CRC认证,就是指,在硬件端或者用户端进行数据传输前,通过一套算法,将待传输的数据,通过加验,算出其校验码,附加在包体的最后,然后中间件收到此包后,对包进行解析,拿出其中的数据内容部分,然后对包重新进行一次CRC加验,如果本次加验结果和包体附带的CRC校验码数据一致,那么就说明此条数据包是完整的,可用的。反之则证明此包有问题。
所以从上面过程中,我们可以看出CRC包含这么几个重要的内容:CRC生成算法,CRC解析算法。
CRC查表算法
首先,CRC生成算法如下,从网上随便都能搜出一堆,我们这里用的是CRC16位的:
- using System;
- using System.Collections.Generic;
- using System.Linq;
- using System.Text;
- using System.Threading.Tasks;
- namespace DSMiddlewire.Lib
- {
- public class CRC16
- {
- private const int CRC_LEN = 0;
- // Table of CRC values for high-order byte
- private readonly byte[] _auchCRCHi = new byte[]
- {
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
- 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
- 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
- 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
- 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
- 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
- 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
- 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
- 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
- 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
- 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40
- };
- // Table of CRC values for low-order byte
- private readonly byte[] _auchCRCLo = new byte[]
- {
- 0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06,
- 0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD,
- 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09,
- 0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A,
- 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4,
- 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,
- 0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3,
- 0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4,
- 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A,
- 0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29,
- 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED,
- 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,
- 0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60,
- 0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67,
- 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F,
- 0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68,
- 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E,
- 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,
- 0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71,
- 0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92,
- 0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C,
- 0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B,
- 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B,
- 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,
- 0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42,
- 0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80, 0x40
- };
- /// <summary>
- /// 获得CRC16效验码
- /// </summary>
- /// <param name="buffer"></param>
- /// <returns></returns>
- internal ushort CalculateCrc16(byte[] buffer)
- {
- byte crcHi = 0xff; // high crc byte initialized
- byte crcLo = 0xff; // low crc byte initialized
- for (int i = 0; i < buffer.Length - CRC_LEN; i++)
- {
- int crcIndex = crcHi ^ buffer[i]; // calculate the crc lookup index
- crcHi = (byte)(crcLo ^ _auchCRCHi[crcIndex]);
- crcLo = _auchCRCLo[crcIndex];
- }
- return (ushort)(crcHi << 8 | crcLo);
- }
- /// <summary>
- /// 获得CRC16效验码
- /// </summary>
- /// <param name="strPar"></param>
- /// <returns></returns>
- public static string CalculateCrc16(string strPar)
- {
- string retStr = new CRC16().CalculateCrc16(System.Text.Encoding.Default.GetBytes(strPar)).ToString();
- while (retStr.Length < 5)
- {
- retStr = "0" + retStr;
- }
- return retStr;
- }
- }
- }
上面就是利用查表法来生成CRC16校验码的函数,其机理就是:我通过运算会得到一个CRC校验码,然后除以256会得到高位值,余256会得到低位值,最后将高位值和低位值进行或操作,就是我们的校验码了。
CRC加验方法
上面的函数虽然可用,但是生成的却是String类型的值,在数据传输过程中,都是要转化为byte传输的,所以这里我们需要将得到的数值转化为byte类型,然后放到数据内容的byte数组中,传送给中间件:
- /*
- * 向底层硬件发送的CRC封装方法
- * 1.var crcGenerate = GetCRC(result); 先得到crc码:14321
- * 2.得到高位,低位值: 14321/256 = 55, 14321%256=241
- * 3.转为byte,追加到最后两位byte数组中,传给硬件即可
- * */
- public static byte[] ConstructMessageWithCRC(string message)
- {
- //信息主体,加上一个分隔符
- var messageToConstruct = message + "|";
- //算出crc码
- var crcCode = CRC16.CalculateCrc16(messageToConstruct);
- var crcCodeShort = ushort.Parse(crcCode);
- //CRC码高位
- var crcHigh = byte.Parse((crcCodeShort / 256).ToString());
- //CRC码低位
- var crcLow = byte.Parse((crcCodeShort % 256).ToString());
- var messageBytes = Encoding.Default.GetBytes(messageToConstruct);
- var messageLength = messageBytes.Length;
- var messageBytesWithCRC = new byte[messageLength + 2];
- Array.Copy(messageBytes, 0, messageBytesWithCRC, 0, messageLength);
- //放CRC码到数组最后两位
- messageBytesWithCRC[messageLength] = crcHigh;
- messageBytesWithCRC[messageLength + 1] = crcLow;
- return messageBytesWithCRC;
- }
我解释下上面的代码:messageToConstruct 是我们的数据内容部分,我们先是将数据内容通过CRC16.CalculateCrc16函数算出其校验码,然后将其最高位和最低位分别放入byte数组中,然后传送出去。
CRC校验方法
那么既然有CRC校验码的生成,也需要CRC校验码的解析过程,所谓有攻必有防:
- public static bool CheckMessageCRC(byte[] message, out string messageReceived)
- {
- //接收到的数据长度
- var messageLength = message.Length;
- //收到的数据信息
- var messageReceivedStrBytes = new byte[messageLength - 2];
- Array.Copy(message, 0, messageReceivedStrBytes, 0, messageLength - 2);
- //CRC校验码固定2个字节
- var messageReceivedCrcBytes = new byte[2];
- Array.Copy(message, messageLength - 2, messageReceivedCrcBytes, 0, 2);
- //获取传输数据
- var messageCalculatedString = Encoding.Default.GetString(messageReceivedStrBytes);
- messageReceived = messageCalculatedString;
- //获取CRC校验码
- var currentCRC = byte.Parse(messageReceivedCrcBytes[0].ToString()) * 256 + byte.Parse(messageReceivedCrcBytes[1].ToString());
- //数据部分的crc校验
- var result = ushort.Parse(CRC16.CalculateCrc16(messageCalculatedString));
- if (currentCRC == result)
- return true;
- return false;
- }
上面的过程就是对接收到的数据包,先把数据部分和CRC校验码部分分开(校验码部分很明确占最后两个字节,从CRC加验部分我们就可以看到)。然后再把数据部分重新计算CRC校验码,和附带的对比即可。
后话
好了,以上就是所有的CRC校验码内容了,包括加验和校验过程,你明白了吗?
说实在话,翻了许多文章,都没有我这篇讲得透彻。因为我在设计之初,也是找网上的文章,但是均不成功,后来和做硬件的人沟通,然后顺利成型。
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