一文看懂Modbus协议

一文看懂Modbus协议,第1张

自从 1979 年出现工业串行链路的事实标准以来,Modbus使成千上万的自动化设备能够通信。Modbus 是OSI模型第 7 层上的应用层报文传输协议,它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。Modbus应用层协议和服务规范主要包含两类:一类是串行链路上的Modbus(Modbus 串行链路取决于TIA/EIA 标准:232-F 和 485-A),另一类是TCP/IP 上的Modbus(Modbus TCP/IP 取决于IETF 标准:RFC793 和 RFC791 有关)。Modbus通信栈示意图如下所示:

Modbus协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信,每种设备(PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备)都能使用 Modbus协议来启动远程操作。在基于串行链路和以太 TCP/IP 网络的 Modbus上可以进行相同通信,一些网关允许在几种使用 Modbus协议的总线或网络之间进行通信。Modbus网络体系结构的实例如下所示:

Modbus协议本质上和我们平时自定义的协议一致,就是一种数据传输格式,也是由起始帧、数据帧、校验帧等组成,只不过Modbus协议更为规范。

Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)。特定总线或网络上 的 Modbus协议映射能够在应用数据单元(ADU)上引入一些附加域,通用Modbus帧协议如下图所示:

具体解析如下: 

地址域:子节点的地址信息;

功能码:指明服务器要执行的动作,有效的码字范围是十进制 1-255(128-255 为异常响应保留),当从客户机向服务器设备发送报文时,功能码域通知服务器执行哪种操作(功能码内容较多,建议查阅Modbus协议说明手册,上面介绍的很清晰)。

数据:传输的数据内容,在某种请求中,数据可以是不存在的(0 长度),在此情况下服务器不需要任何附加信息,功

能码仅说明操作。

差错校验:验证收、发的数据是否正确。

如果在一个正确接收的 ModbusADU 中,不出现与请求Modbus功能有关的差错,那么服务器至客户机的响应数据域包括请求数据。如果出现与请求 Modbus功能有关的差错,那么域包括一个异常码,服务器应用能够使用这个域确定下一个执行的操作。Modbus事务处理的状态图如下所示:

一旦服务器处理请求,使用合适的 Modbus服务器事务建立 Modbus响应,根据处理结果,可以建立两种类型响应:

一个正确Modbus响应:响应功能码 = 请求功能码 ;

一个 Modbus异常响应:用来为客户机提供处理过程中与被发现的差错相关的信息,提供一个异常码来指示差错原因。响应功能码 = 请求功能码 + 0x80。

将上述图示分解理解,例如,客户机与服务器执行Modbus 通信协议,当服务器对客户机响应时,它使用功能码来指示正常(无差错)响应或者出现某种差错(称为异常响应)。

对于一个正常响应来说,服务器仅对原始功能码响应,Modbus事务处理(无差错)如下图所示:

对于异常响应,服务器返回一个与原始功能码等同的码,设置该原始功能码的最高有效位为逻辑 1,Modbus事务处理(异常响应)如下图所示:

Modbus使用一个Big-Endian 表示地址和数据项。这意味着当发射多个字节时,首先发送最高有效位。例如:

寄存器    数据

0x4001  0x1234

发送的第一字节为 0x12,第一字节为0x34。

Modbus以一系列具有不同特征表格上的数据模型为基础,四个基本表格如下表所示:

对于基本表格中任何一项,协议都允许单个地选择 65536 个数据项,而且设计那些项的读写操作可以越过多个连续数据项直到数据大小规格限制,这个数据大小规格限制与事务处理功能码有关。

数据模型这个概念有限抽象,让我们通过以下两个示例加深理解。

示例1 :有 4 个独立块的设备

示例描述:一个设备中的数据结构,含有数字量和模拟量、输入量和输出量。由于不同块中的数据不相关,每个块是相互独立。使用Modbus数据模型,按不同 Modbus功能码访问每个块,实现原理如下所示:

示例2:仅有 1 个块的设备

示例描述:一个设备仅有 1 个数据块,使用Modbus数据模型,通过几个Modbus功能码可能得到一个相同数据,或者通过 16 比特访问或 1 个访问比特,实现原理如下所示:

服务器端实现步骤:

1、使用Socket类创建套接字。

2、利用Bind方法将创建的套接字绑定到指定的地址结构。

3、利用Listen方法设置套接字为监听模式,使得服务器进入被动打开状态。

4、接受客户端的连接请求。

5、接收、应答客户端的数据请求。

6、终止连接。

客户端实现步骤:

1、使用Socket类创建套接字。

2、调用Connect方法建立一个与TCP服务器的连接。

3、发送数据请求,接受服务器的数据应答。

4、终止连接。

http状态返回代码 1xx(临时响应)

表示临时响应并需要请求者继续执行操作的状态代码。

http状态返回代码 代码   说明

100   (继续) 请求者应当继续提出请求。 服务器返回此代码表示已收到请求的第一部分,正在等待其余部分。 

101   (切换协议) 请求者已要求服务器切换协议,服务器已确认并准备切换。

http状态返回代码 2xx (成功)

表示成功处理了请求的状态代码。

http状态返回代码 代码   说明

200   (成功)  服务器已成功处理了请求。 通常,这表示服务器提供了请求的网页。

201   (已创建)  请求成功并且服务器创建了新的资源。

202   (已接受)  服务器已接受请求,但尚未处理。

203   (非授权信息)  服务器已成功处理了请求,但返回的信息可能来自另一来源。

204   (无内容)  服务器成功处理了请求,但没有返回任何内容。

205   (重置内容) 服务器成功处理了请求,但没有返回任何内容。

206   (部分内容)  服务器成功处理了部分 GET 请求。

http状态返回代码 3xx (重定向)

表示要完成请求,需要进一步操作。 通常,这些状态代码用来重定向。

http状态返回代码 代码   说明

300   (多种选择)  针对请求,服务器可执行多种操作。 服务器可根据请求者 (user agent) 选择一项操作,或提供操作列表供请求者选择。

301   (永久移动)  请求的网页已永久移动到新位置。 服务器返回此响应(对 GET 或 HEAD 请求的响应)时,会自动将请求者转到新位置。

302   (临时移动)  服务器目前从不同位置的网页响应请求,但请求者应继续使用原有位置来进行以后的请求。

303   (查看其他位置) 请求者应当对不同的位置使用单独的 GET 请求来检索响应时,服务器返回此代码。

304   (未修改) 自从上次请求后,请求的网页未修改过。 服务器返回此响应时,不会返回网页内容。

305   (使用代理) 请求者只能使用代理访问请求的网页。 如果服务器返回此响应,还表示请求者应使用代理。

307   (临时重定向)  服务器目前从不同位置的网页响应请求,但请求者应继续使用原有位置来进行以后的请求。

http状态返回代码 4xx(请求错误)

这些状态代码表示请求可能出错,妨碍了服务器的处理。

http状态返回代码 代码   说明

400   (错误请求) 服务器不理解请求的语法。

401   (未授权) 请求要求身份验证。 对于需要登录的网页,服务器可能返回此响应。

403   (禁止) 服务器拒绝请求。

404   (未找到) 服务器找不到请求的网页。

405   (方法禁用) 禁用请求中指定的方法。

406   (不接受) 无法使用请求的内容特性响应请求的网页。

407   (需要代理授权) 此状态代码与 401(未授权)类似,但指定请求者应当授权使用代理。

408   (请求超时)  服务器等候请求时发生超时。

409   (冲突)  服务器在完成请求时发生冲突。 服务器必须在响应中包含有关冲突的信息。

410   (已删除)  如果请求的资源已永久删除,服务器就会返回此响应。

411   (需要有效长度) 服务器不接受不含有效内容长度标头字段的请求。

412   (未满足前提条件) 服务器未满足请求者在请求中设置的其中一个前提条件。

413   (请求实体过大) 服务器无法处理请求,因为请求实体过大,超出服务器的处理能力。

414   (请求的 URI 过长) 请求的 URI(通常为网址)过长,服务器无法处理。

415   (不支持的媒体类型) 请求的格式不受请求页面的支持。

416   (请求范围不符合要求) 如果页面无法提供请求的范围,则服务器会返回此状态代码。

417   (未满足期望值) 服务器未满足"期望"请求标头字段的要求。

http状态返回代码 5xx(服务器错误)

这些状态代码表示服务器在尝试处理请求时发生内部错误。 这些错误可能是服务器本身的错误,而不是请求出错。

http状态返回代码 代码   说明

500   (服务器内部错误)  服务器遇到错误,无法完成请求。

501   (尚未实施) 服务器不具备完成请求的功能。 例如,服务器无法识别请求方法时可能会返回此代码。

502   (错误网关) 服务器作为网关或代理,从上游服务器收到无效响应。

503   (服务不可用) 服务器目前无法使用(由于超载或停机维护)。 通常,这只是暂时状态。

504   (网关超时)  服务器作为网关或代理,但是没有及时从上游服务器收到请求。

505   (HTTP 版本不受支持) 服务器不支持请求中所用的 HTTP 协议版本。

一些常见的http状态返回代码为:

200 - 服务器成功返回网页

404 - 请求的网页不存在

503 - 服务不可用

具体可查看:网页链接


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