一种基于MODBUS通信协议的通信方法及系统与流程

一种基于modbus通信协议的通信方法及系统
技术领域
1.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系统。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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系统，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。
5.技术方案：一种基于modbus通信协议的通信方法及系统，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。
6.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。
7.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。
8.优选的，s2还包括：所述密钥号的数量最多为128个。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.优选的，一种基于modbus通信协议的通信系统，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。
15.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系统，该通信方法支持加密读写数据内容，提高了通信的安全性。
16.2、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。
17.3、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
18.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通信协议的通信系统结构示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
20.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。
21.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。
22.s2：根据实际需求，选择对应的加密算法，及密钥号数量。
23.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。
24.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。
25.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。
26.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。
27.s4：对加密数据内容进行通信。
28.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。
29.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。
30.实施例二参照下表1，读数据协议格式，其中，发送帧结构与modbusrtu协议数据帧结构相同，数据内容均为明文。
31.表1发送帧结构参照下表2，应答帧结构相比modbusrtu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。
32.应答帧结构相比modbusrtu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。
33.应答帧结构相比modbusrtu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。
34.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);}
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。
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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
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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{
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int
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i, j;
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uint16 crc,xdabit;
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crc = crc_in;
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for (j=0; j《len; j++)
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{
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crc=crc^((uint16)in[j]);
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for (i=0; i《8; i++)
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{
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xdabit=crc&0x0001;
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crc=crc》》1;
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if(xdabit==1) crc=crc^0xa001;
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}
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}
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out[0]=(uint08)crc;
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out[1]=(uint08)(crc》》8);}
表3发送帧结构参照下表4、表5，应答帧结构同modbusrtu协议数据帧结构，数据内容均为明文。
[0038]
crc校验方式同modubusrtu协议。
[0039]
表4应答帧结构表5错误码表实施例三如图4所示，一种基于modbus通信协议的通信系统，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。
[0040]
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。

技术特征：
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通信协议的通信系统，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。

技术总结
本发明公开了一种基于MODBUS通信协议的通信方法及系统，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。对于开发应用人员工作量低。对于开发应用人员工作量低。


技术研发人员：李龙
受保护的技术使用者：祎智量芯（江苏）电子科技有限公司
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/7/19