CRC校验在Modbus通信中的应用

介绍

循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）是一种在数据通讯领域广泛使用的技术，用于检测数据传输或存储过程中的错误。在工业通信协议中，特别是Modbus协议中，CRC校验起到了非常关键的作用，它保证了数据从一个设备传输到另一个设备时的完整性和准确性。

CRC校验的基本原理

校验原理

CRC校验是基于二进制数据进行的。它通过将数据视为一个长的二进制数，并通过特定的多项式进行除法运算，从而得到一个固定长度的余数，即CRC值。这个余数就作为校验码附加到原始数据后面。接收方在接收到数据后，将包括CRC在内的完整数据再次通过同一个多项式进行除法运算，如果余数为零，则认为数据在传输过程中未发生错误。

核心多项式

在Modbus协议中，通常使用的CRC多项式是0xA001（反向多项式），这是根据CRC-16标准的多项式0x8005进行位序反转得到的。

CRC在Modbus通信中的实际应用

数据格式

在Modbus协议中，数据包的格式通常包括设备地址、功能码、数据和CRC校验码。CRC校验码是整个数据包的最后两个字节，用于验证数据包的完整性。

校验流程

1. 发送方：计算数据包（不包括CRC校验码）的CRC校验码，然后将校验码附加到数据包的末尾。

2. 接收方：收到数据包后，提取出CRC校验码，并对包括校验码在内的整个数据包进行CRC校验。如果计算结果为零，说明数据在传输过程中未被篡改或损坏。

CRC校验的编程实现

CRC计算函数

下面是一个在Python中实现Modbus CRC16校验的示例代码：

def crc16(data: bytes):crc = 0xFFFFfor pos in data:crc ^= posfor i in range(8):if (crc & 1) != 0:crc >>= 1crc ^= 0xA001else:crc >>= 1return crc# 示例数据
data = b'\x01\x03\x00\x00\x00\x01'  # 设备地址为1, 功能码为3, 请求读取寄存器地址为0x0000, 长度为1
crc_value = crc16(data)
print(f"CRC Value: {crc_value:04X}")

数据包的构造与解析

在实际的Modbus通信中，发送方需要将计算得到的CRC校验码附加到数据包末尾，并发送到网络中。接收方需要从接收到的数据包中提取出CRC校验码，并验证整个数据包的完整性。

CRC校验的优势与局限

优势

1. 高效性：CRC校验的计算效率高，适用于实时数据传输环境。
2. 检错能力强：CRC校验对常见的错误如位错误有很高的检测率。

局限

1. 非修复性：CRC校验只能用于错误检测，无法修复错误。

2. 有限的保护：在极端情况下，如数据遭到复杂篡改，CRC校验可能会失效。

在某些极端情况下，如果数据被有意识地、复杂地篡改，并且篡改者也计算出新的CRC校验码来替换原始的CRC校验码，那么接收方在检验数据时可能无法察觉到这种篡改。因为从技术上讲，新的数据和其对应的CRC校验码仍然是匹配的，CRC校验会认为数据是没有错误的。

CRC校验主要是用来检测数据在传输或存储过程中由于错误而产生的无意的改动，如噪声干扰所导致的位错误。它并不是设计来防御有意的数据篡改，这类攻击通常需要更复杂的安全措施，如使用加密和数字签名等方法来保证数据的完整性和真实性。

3. CRC校验码并不是与数据唯一对应的

CRC校验码并不是与数据唯一对应的。虽然CRC校验码是根据数据内容计算得出的，使得它在很大程度上反映了原始数据的特征，但它不是一个完全唯一的指纹。理论上，不同的数据可以产生相同的CRC校验码，这种情况称为“碰撞”。

CRC校验码的长度通常较短（如16位或32位），这意味着只有有限的可能的CRC值。因此，随着处理的数据量增加，不同数据产生相同CRC校验码的可能性也随之增加。尽管如此，对于大多数实际应用来说，CRC提供了足够的错误检测能力，特别是在偶发错误或非有意篡改的环境中。

如果应用对冲突的敏感度非常高，可能需要考虑使用更复杂的校验算法或结合其他形式的校验和安全措施来减少冲突的可能性和提高数据的安全性。

结论

CRC校验在Modbus通信中扮演着至关重要的角色，通过提供一种高效且可靠的错误检测机制，它帮助确保了工业通信的稳定性和数据的完整性。尽管CRC校验有其局限性，但在多数工业应用场景中，它仍然是一种非常有效的解决方案。