CN116436595A - 一种基于modbus通信协议的通信方法及*** - Google Patents

一种基于modbus通信协议的通信方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MODBUS通信协议的通信方法及***，包括以下步骤：S1：根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号；S2：根据实际需求，选择对应的加密算法，及密钥号数量；S3：加密封包：采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容；S4：对加密数据内容进行通信；S5：解密拆包：使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容；数据内容支持加密读写，通信安全性高；基于MODBUS协议修改，协议格式简单，通用性好，对于开发应用人员工作量低。

Description

一种基于MODBUS通信协议的通信方法及***
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于MODBUS通信协议的通信方法及***。
背景技术
在智能产品设计中，模块与模块之间，或者产品与产品之间，需要用数据通信，如果频繁的设计各种私有协议，不仅带来很大的工作量，并且对于其他客户接入也带来很大的不便。
在实际应用中，MODBUS通信协议是其中应用最广泛的协议，该协议易于部署和维护，对使用者来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制，并且MODBUS允许多个 (大约240个) 设备连接在同一个网络上进行通信。但是MODBUS通信协议也有缺点，就是数据域读写透明，对于通信数据敏感、读写数据需要加密的场景不适合。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种基于MODBUS通信协议的通信方法及***，其设计合理，基于MODBUS通信协议，设计一种支持加密的通信协议，数据域支持加密读写，提高了通信的安全性；协议格式简单，提高了协议的通用性。
技术方案：一种基于MODBUS通信协议的通信方法及***，包括以下步骤：
S1：根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号；
S2：根据实际需求，选择对应的加密算法，及密钥号数量；
S3：加密封包：采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容；
S4：对加密数据内容进行通信；
S5：解密拆包：使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容；
数据内容支持加密读写，通信安全性高；基于MODBUS协议修改，协议格式简单，通用性好，减少开发应用人员工作量。
优选的，S2还包括：所述加密算法采用对称加密算法，所述对称加密算法为AES128加密算法或SM4加密算法。
优选的，S2还包括：密钥号采用随机算法，所述密钥号随机选取。
优选的，S2还包括：所述密钥号的数量最多为128个。
优选的，S3还包括：采用对称加密算法生成对称密钥，使用所述对称密钥将待读写数据内容进行加密。
优选的，S3还包括：当写入字节数量不是16的倍数时，对待读写数据内容进行数据补位至16字节的倍数，再进行加密。
优选的，补位算法采用PKCS7Padding算法，当需要N字节补齐时，报文长度少于N个字节，补(N-len)个(N-len)；当报文长度是N字节的整数倍时，不再补位。
优选的，S3还包括：将待读写数据内容进行加密之前，先对所述待读写数据内容进行校验；能够防止数据内容被中途篡改；S5还包括：将加密数据内容进行解密之后，再对还原的待读写数据内容进行校验；以此确认数据内容没有被中途篡改。
优选的，采用随机生产算法，生成256种CRC校验参与内容，并将所述CRC校验参与内容存储至产品中，数据内容校验时根据CRC校验参与内容序号，选择CRC校验参与内容，进行CRC的校验，确保数据内容的安全性与完整性。
优选的，一种基于MODBUS通信协议的通信***，应用于产品，包括：
数据处理模块，被配置为根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号，选择对应的加密算法，及密钥号数量；
数据加密模块，被配置为采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容；
数据通信模块，被配置为对加密数据内容进行通信；
数据解密模块，被配置为使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种基于MODBUS通信协议的通信方法及***，该通信方法支持加密读写数据内容，提高了通信的安全性。
2、基于MODBUS协议修改，协议格式简单，通用性好，对于开发应用人员工作量低，当需要用到通讯协议时，并且数据敏感，有加密需求时，产品开发人员可直接采用本协议格式，能够提高开发效率。
3、应用本协议格式的产品，能够使第三方应用人员在对接时，便于理解通信协议，减少了沟通成本，和防止通信协议理解产生歧义。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于MODBUS通信协议的通信方法流程示意图；
图2为本发明所述的加密封包之前的数据内容校验方法流程图；
图3为本发明所述的解密拆包之后的数据内容校验方法流程图；
图4为本发明所述的一种基于MODBUS通信协议的通信***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种基于MODBUS通信协议的通信方法，包括以下步骤：
S1：根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号。
具体的，在S1中，当需要开发一种新产品，需要用到通信协议时，且数据内容敏感，有加密需求时，可采用本协议格式。
S2：根据实际需求，选择对应的加密算法，及密钥号数量。
具体的，在S2中，所述加密算法采用对称加密算法，所述对称加密算法为ASE128加密算法或SM4加密算法，密钥号采用随机算法，所述密钥号随机选取，所述密钥号的数量最多为128个。
S3：加密封包：采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容。
具体的，在S3中，采用对称加密算法生成对称密钥，使用所述对称密钥将待读写数据内容进行加密，当写入字节数量不是16的倍数时，对待读写数据内容进行数据补位至16字节的倍数，再进行加密，补位算法采用PKCS7Padding算法，当需要N字节补齐时，报文长度少于N个字节，补(N-len)个(N-len)；当报文长度是N字节的整数倍时，不再补位。
如图2所示，S3还包括：将待读写数据内容进行加密之前，先对所述待读写数据内容进行校验，S301：采用随机生产算法，生成256种CRC校验参与内容，S302：将所述CRC校验参与内容存储至产品中，S303：数据内容校验时根据CRC校验参与内容序号，选择CRC校验参与内容，进行CRC的校验，S304：加密封包。
S4：对加密数据内容进行通信。
S5：解密拆包：使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容。
具体的，如图3所示，S5还包括：将加密数据内容进行解密之后，再对还原的待读写数据内容进行校验。S501：解密拆包，S502：采用随机生产算法，生成256种CRC校验参与内容，S503：将所述CRC校验参与内容存储至产品中，S504：数据内容校验时根据CRC校验参与内容序号，选择CRC校验参与内容，进行CRC的校验。
实施例二
参照下表1，读数据协议格式，其中，发送帧结构与MODBUS RTU协议数据帧结构相同，数据内容均为明文。
Figure SMS_1
表1 发送帧结构
参照下表2，应答帧结构相比MODBUS RTU协议增加了1字节加密方式，加密方式分为两种: 分别是AES128加密算法、SM4加密算法，均为对称加密算法。
应答帧结构相比MODBUS RTU协议增加了1字节校验参与内容。即256种校验参与内容随机选择，通过序号表示确定参与校验的内容。
应答帧结构相比MODBUS RTU协议对数据内容进行了加密。AES128和SM4对数据加密都是基于16字节一组数据进行加密，当读取字节数量不是16的倍数时，便需要对数据内容进行数据补位，补足16字节的倍数，再进行加密处理。补齐算法采用PKCS7Padding算法。其中，补齐的原则是，如果需要N字节补齐，报文长度少于N个字节，需要补满N个字节，即补(N-len)个(N-len)。如果报文长度正好是N字节的整数倍，则不再需要补位。
数据内容采用先校验后加密的方式，这样可以防止数据被篡改，其中，应答帧CRC校验算法如下所示：
/*******************************************************
函数名称：CRC16ST(uchar *in, uchar len, uchar *out, uint16 crc_in )
函数功能：将指定长度一段连续存储空间内的字节进行CRC16校验
入口参数：uchar *in 预校验的字节指针首地址
uchar len 预校验的字节长度(0~255)
uchar *out 输出的校验码存储指针，低位字节在前，高位字节在后
uint16 crc_in 是CRC参与校验的内容
出口参数：无
备 注：无
*******************************************************/
void CRC16ST(uint08 *in, uint08 len, uint08 *out, uint16 crc_in) //16位Crc校验函数
{
int i, j;
uint16 crc,xdabit;
crc = crc_in;
for (j=0; j<len; j++)
{
crc=crc^((uint16)in[j]);
for (i=0; i<8; i++)
{
xdabit=crc&0x0001;
crc=crc>>1;
if(xdabit==1) crc=crc^0xA001;
}
}
out[0]=(uint08)crc;
out[1]=(uint08)(crc>>8);
}
Figure SMS_2
表2 应答帧结构
参照下表3，写数据协议格式，其中，发送帧结构相比MODBUS RTU协议增加了1字节加密方式，加密方式分为两种: 分别是AES128加密算法、SM4加密算法，均为对称加密算法。
发送帧结构相比MODBUS RTU协议增加了1字节校验参与内容。即256种校验参与内容随机选择，通过序号表示确定参与校验的内容。
发送帧结构相比MODBUS RTU协议对数据内容进行了加密。AES128和SM4对数据加密都是基于16字节一组数据进行加密，当写入字节数量不是16的倍数时，便需要对数据内容进行数据补位，补足16字节的倍数，再进行加密处理。补齐算法采用PKCS7Padding算法。其中，补齐的原则是，如果需要N字节补齐，报文长度少于N个字节，需要补满N个字节，即补(N-len)个(N-len)。如果报文长度正好是N字节的整数倍，则不再需要补位。
数据内容采用先校验后加密的方式，这样可以防止数据被篡改，其中，发送帧CRC校验算法如下所示：
/*******************************************************
函数名称：CRC16ST(uchar *in, uchar len, uchar *out, uint16 crc_in )
函数功能：将指定长度一段连续存储空间内的字节进行CRC16校验
入口参数：uchar *in 预校验的字节指针首地址
uchar len 预校验的字节长度(0~255)
uchar *out 输出的校验码存储指针，低位字节在前，高位字节在后
uint16 crc_in 是CRC参与校验的内容
出口参数：无
备 注：无
*******************************************************/
void CRC16ST(uint08 *in, uint08 len, uint08 *out, uint16 crc_in) //16位Crc校验函数
{
int i, j;
uint16 crc,xdabit;
crc = crc_in;
for (j=0; j<len; j++)
{
crc=crc^((uint16)in[j]);
for (i=0; i<8; i++)
{
xdabit=crc&0x0001;
crc=crc>>1;
if(xdabit==1) crc=crc^0xA001;
}
}
out[0]=(uint08)crc;
out[1]=(uint08)(crc>>8);
}
Figure SMS_3
表3 发送帧结构
参照下表4、表5，应答帧结构同MODBUS RTU协议数据帧结构，数据内容均为明文。
CRC校验方式同MODUBUS RTU协议。
Figure SMS_4
表4 应答帧结构
Figure SMS_5
表5 错误码表
实施例三
如图4所示，一种基于MODBUS通信协议的通信***，应用于产品，包括：
数据处理模块1，被配置为根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号，选择对应的加密算法，及密钥号数量；
数据加密模块2，被配置为采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容；
数据通信模块3，被配置为对加密数据内容进行通信；
数据解密模块4，被配置为使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号；
S2：根据实际需求，选择对应的加密算法，及密钥号数量；
S3：加密封包：采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容；
S4：对加密数据内容进行通信；
S5：解密拆包：使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容。
2.根据权利要求1所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：S2还包括：所述加密算法采用对称加密算法，所述对称加密算法为AES128加密算法或SM4加密算法。
3.根据权利要求1所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：S2还包括：密钥号采用随机算法，所述密钥号随机选取。
4.根据权利要求1所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：S2还包括：所述密钥号的数量最多为128个。
5.根据权利要求1所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：S3还包括：采用对称加密算法生成对称密钥，使用所述对称密钥将待读写数据内容进行加密。
6.根据权利要求1所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：S3还包括：当写入字节数量不是16的倍数时，对待读写数据内容进行数据补位至16字节的倍数，再进行加密。
7.根据权利要求6所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：补位算法采用PKCS7Padding算法，当需要N字节补齐时，报文长度少于N个字节，补(N-len)个(N-len)；当报文长度是N字节的整数倍时，不再补位。
8.根据权利要求1所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：S3还包括：将待读写数据内容进行加密之前，先对所述待读写数据内容进行校验；
S5还包括：将加密数据内容进行解密之后，再对还原的待读写数据内容进行校验。
9.根据权利要求8所述的基于MODBUS通信协议的通信方法，其特征在于：采用随机生产算法，生成256种CRC校验参与内容，并将所述CRC校验参与内容存储至产品中，数据内容校验时根据CRC校验参与内容序号，选择CRC校验参与内容，进行CRC的校验。
10.一种基于MODBUS通信协议的通信***，应用于产品，其特征在于：包括：
数据处理模块，被配置为根据实际需求，定义待读写数据内容，并以寄存器地址的格式进行编号，选择对应的加密算法，及密钥号数量；
数据加密模块，被配置为采用加密机或密钥生产算法，生成对应的密钥，将对应的密钥存储至产品中，并使用对应的密钥将待读写数据内容进行加密，生成加密数据内容；
数据通信模块，被配置为对加密数据内容进行通信；
数据解密模块，被配置为使用所述产品中存储的密钥将加密数据内容进行解密，还原所述待读写数据内容。
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