物联网平台设计心得：你所不知道的CRC校验

Posted 2020-06-08

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。