基于tcpip协议的ModBus
⼀　以太⽹的标准
  以太⽹是⼀种局域⽹。早期标准为IEEE 802.3，数据链路层使⽤CSMA/CD，10Mb/s速度物理层有：
(1)10 Base 5粗同轴电缆，RG-8，⼀段最长为500m；
(2)10 Base 2细同轴电缆，RG-58，⼀段最长为185m；
(3)10 Base T双绞线，UTP或STP，⼀段最长为100m。
  快速以太⽹为100Mb/s，标准为802.3a，介质为100 Base Tx双绞线、100 Base Fx光纤。
  ⽬前10/100M以太⽹使⽤最为普遍，很多企事业⽤户已实现100M到以太⽹桌⾯，确实体验到⾼速“冲浪”的快感，另外从距离⽽⾔，⾮屏蔽双绞线(UTP)为100m，多模光纤可达2～3km，单模光纤可⼤于100km。千兆以太⽹1000Mb/s为802.3z/802.3ab，万兆以太⽹10Gb/s为802.3ae，将为新⼀轮以太⽹的发展带来新的机遇与冲击。
⼆　⼯业以太⽹与商⽤以太⽹的区别
  什么是⼯业以太⽹？技术上，它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商⽤⽹和⼯业⽹看成是⼀个以太⽹，⽽⽤户可根据现场情况，灵活装配⾃⼰的⽹络部件，但从⼯业环境的恶劣和抗⼲扰的要求，设计者希望采⽤市场上可到的以太⽹芯⽚和媒介，兼顾考虑下述⼯业现场的特殊要求：⾸先要考虑⾼温、潮湿、振动；⼆是对⼯业抗电磁⼲扰和抗辐射有⼀定要求，如满⾜EN50081-2、EN50082-2标准，⽽办公室级别的产品未经这些⼯业标准测试，表1列出了⼀些常⽤⼯业标准。为改善抗⼲扰性和降低辐射，⼯业以太⽹产品多使⽤多层线路板或双⾯电路板，且外壳采⽤⾦属如铸铝屏蔽⼲扰；三是电源要求，因集线器、交换机、收发器多为有源部件，⽽现场电源的品质⼜较差，故常采⽤双路直流电或交流电为其供电，另外考虑⽅便安装，⼯业以太⽹产品多数使⽤DIN导轨或⾯板安装；四是通信介质选择，在办公室环境下多数配线使⽤UTP，⽽在⼯业环境下推荐⽤户使⽤STP(带屏蔽双绞线)和光纤。
三　TCP/IP
1. 为什么使⽤TCP/IP？
  最主要的⼀个原因在于它能使⽤在多种物理⽹络技术上，包括局域⽹和⼴域⽹技术。TCP/IP协议的成功很⼤程度上取决于它能适应⼏乎所有底层通信技术。
20世纪80年代初，先在X.25上运⾏TCP/IP协议；⽽后⼜在⼀个拨号语⾳⽹络(如电话系统)上使⽤TCP/IP协议，⼜有TCP/IP在令牌环⽹上运⾏成功；最后⼜实现了TCP/IP远程分组⽆线⽹点与其他Internet⽹点间TCP/IP通信。所以TCP/IP协议极其灵活，具备连接不同⽹络的能⼒。
  另外，使⽤TCP/IP也简化了OSI模型，因为它省略了表⽰层和会话层。如果现在把以太⽹的物理层和数据链路层加到OSI模型就构成了基于以太⽹的TCP/IP⽹，如图1所⽰。⽤以太⽹实现TCP/IP也是经济的⼀种⽅式。
2. Internet Protocol(IP)
  IP是Internet最基本的协议，⽤户可从下载RFC79来得到其⽂件，(要求评论RFC: Request For Comments：⼀系列备忘录的名称，包括概述、评价、意见、技术和研究，以及所提出的和被接受的互联⽹标准)。
  IP层主要⽬的是到IP报⽂的“下⼀个连接点”，它可以是路由器、计算机、控制器甚⾄I/O，关键该设备须有⾃⼰的IP地址。凡在⽹络层使⽤IP协议的⽹络，都通过IP地址寻址，所以使⽤时⾸先要进⾏复杂的设置，每个节点⾄少需⼀个“IP地址”、⼀个“⼦⽹掩码”、⼀个“默认⽹点”和⼀个“主机名”，如此复杂的设置，对于⼀些初识⽹络的⽤户来说的确带来不便，不过随着对⽹络熟悉，有许多IP地址配置⼯具，可⽅便进⾏IP设置，甚⾄是⾃动设置。
  IP是⾯向报⽂的协议，它独⽴处理每个报⽂包，每个报⽂包必须含有完整的寻址信息。IP报⽂包的格式如图2所⽰。
  IP地址的类型共有4种(如图3所⽰)：A类⽤于处理超⼤型⽹络，最多16387064个主机(1～126)；B类⽹络最多可有64516个主机(⽹络地址的第⼀段为128～191)；C类⽤于⼩型⽹络，最多可有254个主机(⽹络地址的第⼀段为192～223)；D类⽤于多点播送，⽤于多⽬的信息的传输。全零(“0.0.0.0”)地址对应于当前主机，全1地址(“255.255.255.255”)是当前⼦⽹的⼴播地址。
3. Transmission Control Protocol (TCP)
  TCP是基于传输层的协议(如图4所⽰)，协议⽂件可从RFC793得到，使⽤⼴泛，⾯向连接的可靠协议。它能把报⽂分解为数段，在⽬的站再重新装配这些段，⽀持重新发送未被收到的段，提供两台设备间的全双⼯连接，允许它们⾼效地交换⼤量数据。TCP使⽤滑动窗⼝协议来⾼效使⽤⽹络。由于TCP很少⼲预底层投递系统的⼯作，它适应各种投递系统；且提供流量控制，能使各种不同速率的系统进⾏通信。报⽂段是TCP所使⽤的基本传输单元，⽤于传输数据或控制信息。
4. TCP端⼝
  TCP是使⽤端⼝(Socket)号把信息传到上层，为⽤户提供不同服务，端⼝号跟踪同⼀时间内通过⽹络的不同会话。RFC1700中定义了众所周知的特殊端⼝号，常⽤端⼝如表2所列。其中502端⼝是⾃动化公司唯⼀所拥有的端⼝号码。
5. 协议(Protocal)的功能
  组建⽹络时，必须选择⼀种⽹络通信协议，使得⽤户之间能相互进⾏“交流”。协议是⽹络设备⽤来通信的⼀套规则，可理解为⼀种彼此都能听懂的公⽤语⾔。如在⽹络层使⽤IP协议，在传输层使⽤TCP协议，就构成了⽬前常⽤的TCP/IP协议，现在⼏乎所有⼚商和操作系统都⽀持它。同时，TCP/IP也是Internet的基础协议。
如在应⽤层使⽤⼯业上事实标准的Modbus协议(如图5所⽰)，就构成了完整⼯业以太⽹应⽤。
四　开放和标准的Modbus TCP
  Modbus是开放协议，IANA(Internet Assigned Numbers Authority, 互联⽹编号分配管理机构)给Modbus协议赋予TCP端⼝502，Modbus协议可免费从得到。
  Modbus是标准协议，它已提交给IETF(Internet Engineering Task Force, 互联⽹⼯程任务部)，将成为Internet标准。因⾃1978年，⼯业⾃动化⾏业已安装了百万计串⼝Modbus设备和⼗万计Modbus TCP/IP设备，拥有超过300个Modbus兼容设备⼚商，还有90%的第三⼚家I/O⽀持Modbus TCP/IP，所以是使⽤⼴泛的事实标准。Modbus的普及得益于使⽤门坎很低，⽆论⽤串⼝还是⽤以太⽹，硬件成本低廉，Modbus和Modbus TCP都可以免费得到，不需交任何费⽤，且在⽹上有很多免费资源，如C/C++、JAVA样板程序、ActiveX控件、各种测试⼯具等，所以⽤户使⽤很⽅便。另外，⼏乎可到任何现场总线到Modbus TCP的⽹点，⽅便⽤户实现各种⽹络之间的互联。
1. Modbus TCP/IP
  如果使⽤TCP/IP以太⽹的5层：
第⼀层：物理层，提供设备的物理接⼝，与市售的介质/⽹络适配器相兼容；
第⼆层：数据链路层，格式化信号到源/⽬的硬件地址的数据帧；
第三层：⽹络层，实现带有32位IP地址的IP报⽂包；
第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端⼝服务、传输调度；
第五层：应⽤层，Modbus协议报⽂。
2. Modbus TCP数据帧
  在TCP/IP以太⽹上传输，⽀持Ethernet II和802.3两种帧格式。图6所⽰，Modbus TCP数据帧包含报⽂头、功能代码和数据3部分。 
MBAP报⽂头(MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus应⽤协议)分4个域，共7个字节，如表3所⽰。
3. Modbus功能代码
  共有3种类型分别为：
(1)公共功能代码(如表4所⽰)：已定义好的功能码，保证其唯⼀性，由认可；
(2)⽤户⾃定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，⽆需认可，但不保证代码使⽤的  唯⼀性。如变为公共代码，需交RFC 认可；(3)保留的功能代码，由某些公司使⽤在某些传统设备的代码，不可作为公共⽤途。
  功能代码划分：按应⽤深浅，可分为3个类别。
1. 类别0，对于客户机/服务器最⼩的可⽤⼦集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。
2. 类别1，可实现基本互易操作的常⽤代码：读线圈(fc.1)；读开关量输⼊(fc.2)；读输⼊寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单⼀寄存器
(fc.6)。
3. 类别2，⽤于⼈机界⾯、监控系统的例⾏操作和数据传送功能：
4. 强制多个线圈(fc.15)；读通⽤寄存器(fc.20)；写通⽤寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。
4. Modbus应⽤举例
2. 读寄存器(见表5)。
3. Modbus TCP请求报⽂举例(见表6)。
4. Modbus TCP客户端的实况。
⽤Connect()命令建⽴⽬标设备TCP 502端⼝的连接数据通信的过程：
1. 准备Modbus报⽂，包括7个字节的MBAP在内的请求；
tcpip路由协议2. 使⽤send()命令发送；
3. 在同⼀连接等待应答；
4. 同recv()读报⽂，完成⼀次数据交换过程。
当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。
5. Modbus TCP的样板程序
⽤户可通过⽹站ansparent-factory下载到：
1. JAVA的应⽤程序；
2. 基于Unix系统下，C的应⽤程序；
3. 基于Win32系统下，C的应⽤程序。
6. Modbus TCP协议
协议⽂本的英⽂版可从www. 下载，如需协议⽂本的中⽂版，可向施耐德电⽓(中国)投资有限公司各地区办事处索要。

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