基於Modbus三種CRC16校驗方法的性能對比

目錄

• 1.背景介紹
• 2. CRC校驗的三種方法
  • 2.1. 直接計算CRC校驗
  • 2.2. 查短表法計算CRC16校驗
  • 2.3.查大表法計算CRC16校驗
• 3.三種校驗方式的測試方法
  • 3.1.直接計算CRC校驗的時間測試
  • 3.2.查短表計算CRC校驗的時間測試
  • 3.3.查長表計算CRC校驗的時間測試
• 4.校驗結果的測試
  • 4.1. CRC靜態幫助類中的校驗結果方法
  • 4.2. CRC驗證方法的頂層調用
• 5. 不一樣校驗方式的性能差別
• 6. 結果輸出
• 7.小結

1.背景介紹

主要應用場景在物聯網中，底端設備註冊報文的上報，須要對報文的有效載荷(data)進行CRC16的複驗，驗證與設備端的CRC校驗是否相等，若是相等，報文有效，設備上報就會註冊成功，不是第一次則會刷新心跳時間，避免通訊中斷告警。設備的報文結果以及設備的CRC16位置以下：

平臺端須要從新對註冊包內容（不包含設備的CRC計算字節）進行CRC校驗計算，與設備端的CRC校驗對比。若是相等，則平臺端的CRC校驗成功。

備註：本文的CRC校驗所有指CRC16的校驗。

2. CRC校驗的三種方法

本文側重測試CRC的性能，不講CRC校驗的原理，由於CRC只是個校驗數據準確性的工具，並且每一個報文（不僅僅心跳報文），還有AI,DI,DO,AO，告警報文等都須要校驗，所以，執行CRC程序段的性能顯得尤其重要。
若是讀者對CRC的校驗原理感興趣，請自行網上搜索相關資料進行深刻研究，此處再也不展開。

2.1. 直接計算CRC校驗

如下代碼已經作過驗證，與設備端的CRC校驗碼相等（協議是基於變種的私有modbus協議），具體校驗步驟可參考以下程序註釋。最終將此類封裝在了Crc16的幫助類裏面。

/// <summary>
        /// 計算CRC16校驗碼
        /// </summary>
        /// <param name="value">校驗數據</param>
        /// <param name="poly">多項式碼</param>
        /// <param name="crcInit">校驗碼初始值</param>
        /// <returns></returns>
        public static byte[] GetCRC16(byte[] value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
        {
            if (value == null || !value.Any())
                throw new ArgumentException("生成CRC16的入參有誤");
            //運算
            ushort crc = crcInit;
            for (int i = 0; i < value.Length-2; i++)
            {
                //Step1.與校驗對象的某字節取異或
                crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
                for (int j = 0; j < 8; j++)
                {   //Step2.==0？右移1比特，不然右移1 bit與多項式異或
                    crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
                }
            }
            byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
            byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

            //byte[] buffer = new byte[value.Length + 2];
            //value.CopyTo(buffer, 0);
            //buffer[buffer.Length - 1] = hi;
            //buffer[buffer.Length - 2] = lo;
            //return buffer;
            byte[] returnVal = new byte[2];
            returnVal[1] = hi;//CRC高位
            returnVal[0] = lo;//CRC低位
            return returnVal;
        }

2.2. 查短表法計算CRC16校驗

查短表法計算CRC16，性能佳，並且只需很小內存空間.

static readonly UInt16[] crcTlb = new UInt16[16]{0x0000, 0xCC01, 0xD801, 0x1400, 0xF001, 0x3C00, 0x2800, 0xE401,
       0xA001, 0x6C00, 0x7800, 0xB401, 0x5000, 0x9C01, 0x8801, 0x4400};
        public static UInt16 CalcCRC16(byte[] pBuf)
        {
            byte i = 0, ch = 0;
            UInt16 crc = 0xFFFF;
            for (i = 0; i < pBuf.Length-2; i++)
            {
                ch = pBuf[i];
                crc = (UInt16)(crcTlb[(ch ^ crc) & 0x0F] ^ (crc >> 4));
                crc = (UInt16)(crcTlb[((ch >> 4) ^ crc) & 0x0F] ^ (crc >> 4));
            }
            crc = (UInt16)((crc & 0xFF) << 8 | (crc >> 8));
            return crc;
        }

2.3.查大表法計算CRC16校驗

校驗結果調了1天沒調成功,後面會將測試結果貼出，性能與查短表幾乎同樣，並且浪費內存，因此沒有采用此法。

static readonly UInt16[]  CRC16Table =new UInt16[256] {
               0x0000,0x1021,0x2042,0x3063,0x4084,0x50a5,0x60c6,0x70e7,
               0x8108,0x9129,0xa14a,0xb16b,0xc18c,0xd1ad,0xe1ce,0xf1ef,
               0x1231,0x0210,0x3273,0x2252,0x52b5,0x4294,0x72f7,0x62d6,
               0x9339,0x8318,0xb37b,0xa35a,0xd3bd,0xc39c,0xf3ff,0xe3de,
               0x2462,0x3443,0x0420,0x1401,0x64e6,0x74c7,0x44a4,0x5485,
               0xa56a,0xb54b,0x8528,0x9509,0xe5ee,0xf5cf,0xc5ac,0xd58d,
               0x3653,0x2672,0x1611,0x0630,0x76d7,0x66f6,0x5695,0x46b4,
               0xb75b,0xa77a,0x9719,0x8738,0xf7df,0xe7fe,0xd79d,0xc7bc,
               0x48c4,0x58e5,0x6886,0x78a7,0x0840,0x1861,0x2802,0x3823,
               0xc9cc,0xd9ed,0xe98e,0xf9af,0x8948,0x9969,0xa90a,0xb92b,
               0x5af5,0x4ad4,0x7ab7,0x6a96,0x1a71,0x0a50,0x3a33,0x2a12,
               0xdbfd,0xcbdc,0xfbbf,0xeb9e,0x9b79,0x8b58,0xbb3b,0xab1a,
               0x6ca6,0x7c87,0x4ce4,0x5cc5,0x2c22,0x3c03,0x0c60,0x1c41,
               0xedae,0xfd8f,0xcdec,0xddcd,0xad2a,0xbd0b,0x8d68,0x9d49,
               0x7e97,0x6eb6,0x5ed5,0x4ef4,0x3e13,0x2e32,0x1e51,0x0e70,
               0xff9f,0xefbe,0xdfdd,0xcffc,0xbf1b,0xaf3a,0x9f59,0x8f78,
               0x9188,0x81a9,0xb1ca,0xa1eb,0xd10c,0xc12d,0xf14e,0xe16f,
               0x1080,0x00a1,0x30c2,0x20e3,0x5004,0x4025,0x7046,0x6067,
               0x83b9,0x9398,0xa3fb,0xb3da,0xc33d,0xd31c,0xe37f,0xf35e,
               0x02b1,0x1290,0x22f3,0x32d2,0x4235,0x5214,0x6277,0x7256,
               0xb5ea,0xa5cb,0x95a8,0x8589,0xf56e,0xe54f,0xd52c,0xc50d,
               0x34e2,0x24c3,0x14a0,0x0481,0x7466,0x6447,0x5424,0x4405,
               0xa7db,0xb7fa,0x8799,0x97b8,0xe75f,0xf77e,0xc71d,0xd73c,
               0x26d3,0x36f2,0x0691,0x16b0,0x6657,0x7676,0x4615,0x5634,
               0xd94c,0xc96d,0xf90e,0xe92f,0x99c8,0x89e9,0xb98a,0xa9ab,
               0x5844,0x4865,0x7806,0x6827,0x18c0,0x08e1,0x3882,0x28a3,
               0xcb7d,0xdb5c,0xeb3f,0xfb1e,0x8bf9,0x9bd8,0xabbb,0xbb9a,
               0x4a75,0x5a54,0x6a37,0x7a16,0x0af1,0x1ad0,0x2ab3,0x3a92,
               0xfd2e,0xed0f,0xdd6c,0xcd4d,0xbdaa,0xad8b,0x9de8,0x8dc9,
               0x7c26,0x6c07,0x5c64,0x4c45,0x3ca2,0x2c83,0x1ce0,0x0cc1,
               0xef1f,0xff3e,0xcf5d,0xdf7c,0xaf9b,0xbfba,0x8fd9,0x9ff8,
               0x6e17,0x7e36,0x4e55,0x5e74,0x2e93,0x3eb2,0x0ed1,0x1ef0

         };
        /// <summary>
        /// 查表法計算CRC16.
        /// </summary>
        /// <param name="dataIn">待校驗數據</param>
        /// <param name="length">數據長度</param>
        /// <returns>校驗值</returns>
        public static UInt16 calCRC16(byte[] dataIn, int length)
        {
            UInt16 i;
            UInt16 nAccum = 0;

            for (i = 0; i < length; i++)
                nAccum = (UInt16)((nAccum << 8) ^ (UInt16)CRC16Table[(nAccum >> 8) ^ dataIn[i]]);
            return nAccum;
        }

3.三種校驗方式的測試方法

3.1.直接計算CRC校驗的時間測試

DateTime beforCrc = DateTime.Now;
  var CrcValue=CRC16.GetCRC16(validBuff);
  DateTime afterCrc = DateTime.Now;
  TimeSpan ts = afterCrc.Subtract(beforCrc);
  Console.WriteLine("校驗結果{1}{2}。直接計算CRC校驗總  {0}ms.", ts.TotalMilliseconds,CrcValue[0].ToString("X  , CrcValue[1].ToString("X2"));

3.2.查短表計算CRC校驗的時間測試

beforCrc = DateTime.Now;
  var CrcValue_ShotTable=CRC16.CalcCRC16(validBuff);
  afterCrc = DateTime.Now;
  var ts_table = afterCrc.Subtract(beforCrc);
  Console.WriteLine("校驗結果{1}。查表計算CRC校驗總共花費  ms.", ts_table.TotalMilliseconds, CrcValue_ShotTab  ToString("X2"));

3.3.查長表計算CRC校驗的時間測試

根據網上的資源，測試計算結果有問題。校驗結果昨天調了1天沒調成功，並且性能跟查短表幾乎同樣，還須要佔用更多內存，因此直接pass。

beforCrc = DateTime.Now;
  var CrcValue_LongTable = CRC16.calCRC16(validBuf  validBuff.Length-2);
  afterCrc = DateTime.Now;
  ts = afterCrc.Subtract(beforCrc);
  Console.WriteLine("校驗結果{1}。查長表計算CRC校驗總  {0}ms.", ts.TotalMilliseconds, CrcValue_LongTab  ToString("X2"));

4.校驗結果的測試

4.1. CRC靜態幫助類中的校驗結果方法

這裏最終是採用2.2. 查短表法計算CRC16校驗。經過默認設置模式mode="Table"調用。校驗成功返回true，校驗失敗返回false。

/// <summary>
        /// 驗證CRC16校驗碼
        /// </summary>
        /// <param name="value">校驗數據(包含底端設備上傳的CRC校驗值)</param>
        /// <param name="poly">多項式碼</param>
        /// <param name="crcInit">校驗碼初始值</param>
        /// <returns></returns>
        public static bool CheckCRC16(byte[] value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF,string mode="Table")
        {
            if (value == null || !value.Any())
                throw new ArgumentException("生成CRC16的入參有誤");

            var crc16 = new byte[2];
            if (mode == "Table")
            {
                var result=CalcCRC16(value);
                crc16[0] = (byte)(result >> 8);
                crc16[1] = (byte)(result);
            }
            else
            {
                crc16 = GetCRC16(value, poly, crcInit);
            }

            if ((value[value.Length - 1] == crc16[crc16.Length - 1]) && (value[value.Length - 2] == crc16[crc16.Length - 2]))
                return true;

            return false;
        }

4.2. CRC驗證方法的頂層調用

測試CRC驗證方法

var result =CRC16.CheckCRC16(validBuff);
  Console.WriteLine("校驗結果{0}。", result);
  LoggerHelper.Info("CRC校驗結果：" + BitConverter.ToStr(CrcValue));

5. 不一樣校驗方式的性能差別

這裏主要是對比2.1與2.2。方法2.3棄用。

var diff = ts  / ts_table;
    Console.WriteLine("直接計算所需時間是查表的的{0}倍", diff);

6. 結果輸出

• 查長表計算CRC與查短表CRC校驗計算，性能基本同樣，甚至短表性能更佳；
• 查短表性能是直接計算的3~5倍，所需計算時間是微秒級基本能夠忽略不計；
• 查長表計算校驗結果有問題，4F0C爲不正確結果，還須要佔用更多內存，因此直接pass。

7.小結

第一次輸出性能時間須要比較久，緣由是Net Core剛啓動完成，須要作的事比較多。

---

版權聲明：本文爲博主原創文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版權協議，轉載請附上原文出處連接和本聲明。

本文連接：http://www.javashuo.com/article/p-pxnvsrvy-gu.html