【文章內(nèi)容簡介】 務(wù)器之間，只有在發(fā)生特殊事件而有必要傳送參數(shù)和診斷報文時，連接才 能在每一次數(shù)據(jù)傳送后被關(guān)閉，需要時再次建立。這也是 MODBUS /TCP 在工業(yè)以太網(wǎng)中采用 TCP 作為 為傳輸層協(xié)議而不采用速度更快的 UDP 協(xié)議的原因所在。 雖然 MODBUS /TCP 由于在傳輸層采用 TCP 協(xié)議，而使其不得不在傳輸層協(xié)議以下的諸層采取更有效的實時性策略。但與 IDA 方案相比， MODBUS /TCP在其開放性、簡單和穩(wěn)定的性能上具有優(yōu)勢，是一個具有較高的性能價格比的工業(yè)以太網(wǎng)方案。 本文的工作 本文主要告訴讀者該課題的實現(xiàn)過程。在看到一個用軟件編程實現(xiàn)的課題時，應(yīng)該有的一些思路，需要 掌握的一些知識。在拿到一個課題時，首先需要為課題的實現(xiàn)構(gòu)建一個模型，對于該課題而言，應(yīng)想到怎樣在一臺設(shè)備上實現(xiàn)MODBUS 協(xié)議，同時，該課題是實現(xiàn)通信，那么就必然不只一臺設(shè)備，繼而想到兩臺設(shè)備間的通信模型，最后到多臺設(shè)備的通信結(jié)構(gòu)。建構(gòu)好模型后，就應(yīng)該查找相關(guān)的理論知識。本文涉及到的理論知識主要包括 MODBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)以及套接字的原理。掌握原理后，接下來就應(yīng)該設(shè)計實現(xiàn)流程。對于軟件開發(fā)而言，編程環(huán)境和編程語言很重要，這會對工作的復(fù)雜程度帶來很大的影響。選擇好編程工具后，就要想著怎樣實現(xiàn)課題，應(yīng)構(gòu)思一個流程。 本文首先需要將 TCP/IP應(yīng)用層以下作為一個整體，而這個整體和上層的接口即是套接字接口。再將套接字接口與應(yīng)用層 MODBUS 協(xié)議聯(lián)系，即可實現(xiàn)該課題的要求。摘取程序中最重要的部分進行分析。能夠讓讀者清楚的認(rèn)識到整個編程實例的精髓。最后對整個課題的實現(xiàn)進行一個總結(jié)，帶給讀者一個實現(xiàn)該課題的基本框架，以及在實現(xiàn)該課題過程中自己的一些見解以、疑問及學(xué)到的知識和技術(shù)。提出自己對該項技術(shù)的展望，以及這項技術(shù)的發(fā)展前景。 論文的結(jié)構(gòu)安排 本論文共分五章，各章主要內(nèi)容如下： 第一章 : 介紹本論文所研究的背景，即該課 題的實際應(yīng)用價值。 第二章 : 構(gòu)建了實現(xiàn)課題的模型，從一臺設(shè)備上實現(xiàn) MODBUS協(xié)議，到兩臺設(shè)備通信，最后構(gòu)建多臺設(shè)備的整體通信結(jié)構(gòu)。 第三章 :為該課題建立理論基礎(chǔ)。該課題涉及到的理論主要包括 MODBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)及套接字，分析它們之間的關(guān)系所在。 第四章 : 提出實現(xiàn)該課題的主要流程，分為幾個步驟，每個步驟應(yīng)做的工作，以及用到的編程環(huán)境和編程語言。 第五章：程序?qū)嶒灲Y(jié)果演示，并對 MODBUS TCP/IP報文進行分析，通過分析體現(xiàn) MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)交換過程。 第六章 : 總結(jié)與展望。 第二章 基于 TCP/IP 模型的 MODBUS 通信協(xié)議 一臺設(shè)備上的 MODBUS 模型構(gòu)建 用戶應(yīng)用層 它和設(shè)備應(yīng)用相對應(yīng)，與設(shè)備完全無關(guān)。 通信應(yīng)用層 一個 MODBUS 設(shè)備可提供一個客戶機或服務(wù)器的 MODBUS 接口。可提供一個 MODBUS 后端接口，間接地允許對用戶應(yīng)用對象的訪問。此接口由四個區(qū)域組成：離散量輸入、離散量輸出（線圈）、輸入寄存器和輸出寄存器。必須進行這個接口與用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)直接的映射?？蓪?MODBUS 通信應(yīng)用層分為四個小模塊 ,如下： MODBUS 客戶機 MODBUS 客戶機允許用戶應(yīng)用顯式控制與遠(yuǎn)程設(shè)備的信息交換。 MODBUS 客戶機根據(jù)用戶應(yīng)用向 MODBUS 客戶機接口發(fā)送的要求中所包含的參數(shù)來建立一個MODBUS 請求。 MODBUS 客戶機接口 MODBUS 客戶機接口提供一個接口，使得用戶應(yīng)用能夠生成各類 MODBUS服務(wù)的請求，該服務(wù)包括對 MODBUS 應(yīng)用對象的訪問。 MODBUS 服務(wù)器 收到一個 MODBUS 請求以后，模塊激活一個本地操作進行讀、寫、或完成其他操作。這些操作的處理對應(yīng)用程序開發(fā)員來說都是透明的。 MODBUS 服務(wù)器的主要功能是等待來自 TCP502 口的 MODBUS 請求，處理這一請求，根據(jù)設(shè)備的現(xiàn)狀生成 MODBUS 應(yīng)答。 MODBUS 后端接口 MODBUS 后端接口是一個從 MODBUS 服務(wù)器到定義應(yīng)用對象的用戶應(yīng)用之間的接口。 TCP 管理層 報文傳輸服務(wù)的主要功能之一是管理通信的建立和結(jié)束，及管理在所建立的TCP 連接上的數(shù)據(jù)流。 TCP 管理層進行兩方面的管理： 連接管理 在客戶機和服務(wù)器的 MODBUS 模塊之間的通信需要 TCP 管理模塊。它負(fù)責(zé)全面管理報文傳輸 TCP 連接。 TCP502 端口的監(jiān)聽是為 MODBUS 通信保留的?？蛻魴C和服務(wù)器均應(yīng)向用戶提供對 TCP 端口號進行 MODBUS 參數(shù)配置的可能性。 訪問控制模塊管理 在某些至關(guān)重要的場合，必須禁止無關(guān)的主機對設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問。這既是需要的安全模式，也是在需要時實現(xiàn)安全處理的原因。 TCP/IP 棧層 TCP/IP 棧提供了一個接口，用來管理連接、發(fā)送和接收某些參數(shù)配置。 TCP連接管理模塊采用棧接口，即 BSD 套接字接口來與 TCP/IP 棧進行通信?？梢詫CP/IP 棧進行參數(shù)配置，以適用對不同產(chǎn)品或系統(tǒng)的不同特定約束進行數(shù)據(jù)流控制、地址管理和 連接管理。 兩臺設(shè)備間的通信模型構(gòu)建 在 TCP／ IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通信的兩個進程相互作用的主要模式是客戶機／服務(wù)器模式，即客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器接收到請求后提供相應(yīng)的服務(wù)?？蛻魴C /服務(wù)器模式在操作過程中采取的是主動請求方式。 服務(wù)器方：首先服務(wù)器方要啟動，偵聽客戶方是否有連接請求，并根據(jù)請求提供相應(yīng)服務(wù)： a．打開一通信通道并告知本地主機，它愿意在某一公認(rèn)地址端口上接受客戶請求，或者由開發(fā)人員自己指定端的地址，此時端口地址應(yīng)大于 1 024B，一般不超過 5 000B； b．等待客戶請求到達(dá)該 端口； c．接收到重復(fù)服務(wù)請求時，處理該請求并發(fā)送應(yīng)答信號。接收并發(fā)服務(wù)請求，需要激活一個新進程來處理這個客戶請求，并不需要對其他請求作出應(yīng)答。服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進程與客戶的通信鏈路，并終止； d．返回第二步，等待另外的客戶請求； e．關(guān)閉服務(wù)器。 客戶方： a．打開一通信通道，并連接到服務(wù)器所在的主機的特定端口； b．向服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請求報文，等待并接收應(yīng)答；繼續(xù)提出請求； C，請求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止。 從以上描述過程可以看出：客戶機與服務(wù)器進程的作用是非對稱的，因此編碼不同，而且服務(wù)進程要先于客戶請求啟 動。 這個客戶機 /服務(wù)器模型基于 4種報文類型： MODBUS 請求： MODBUS 請求是客戶機在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送用來啟動事務(wù)處理的報文。 MODBUS 證實： MODBUS 證實是在客戶機側(cè)接收的響應(yīng)報文。 MODBUS 指示： MODBUS 指示是服務(wù)器側(cè)接受的請求報文。 MODBUS 響應(yīng)： MODBUS 響應(yīng)時服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)報文。 具體模型如下圖所示： M O D B U S 服 務(wù) 器請 求指 示證 實 響 應(yīng)M O D B U S 客 戶 機 總體通信模型構(gòu)建 如下圖 3 所示， MODBUS TCP/IP 的通信系統(tǒng)可以包括不同類型的設(shè)備： 連接至 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的 MODBUS TCP/IP 客戶機和服務(wù)器設(shè)備。 互聯(lián)設(shè)備。 M O D B U S服 務(wù) 器T C P / I PM O D B U S服 務(wù) 器T C P / I PM O D B U S客 戶 機T C P / I PM O D B U S客 戶 機T C P / I PM O D B U S 客 戶機 串 行 連 接客 戶 機T C P / I P 網(wǎng) 關(guān)服 務(wù) 器T C P / I P 網(wǎng) 關(guān)M O D B U S服 務(wù) 器 串 機連 接M O D B U S服 務(wù) 器 串 機連 接M O D B U S T C P / I PM O D B U S 串 行連 接 第三章 MODBUS 在 TCP/IP 上的實現(xiàn)與分析 應(yīng)用層 MODBUS 協(xié)議描述 TCP/IP 上的 MODBUS 數(shù)據(jù)應(yīng)用單元 MODBUS TCP/IP 是在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加上 MODBUS 應(yīng)用層協(xié)議 , 形成五層開放式體系結(jié)構(gòu) , 其中 MODBUS TCP 數(shù)據(jù)幀包括報文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)三個部分 , 其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 F u n c t i o n c o d e d a t aM O D B U S T C P / I P A D UM B A P H e a d e rP D UM O D B U S T C P 數(shù) 據(jù) 幀 格 式 MBAP 報文頭描述 MBAP Header 由 7 個字節(jié)組成 ， 是 MODBUS TCP 協(xié)議的頭部 。 四個域如圖 2 所示 ， Transaction Identifier 為傳輸標(biāo)志 ， Protocol Identifier 為協(xié)議標(biāo)志 ，Length 是長度域 ， Unit Identifier 是單元標(biāo)志。 MBAP 報文結(jié)構(gòu)如下所示： T r a n s a c t i o n I d e n t i f i e r P r o t o c o l I d e n t i f i e r L e n g t h U n i t I d e n t i f i e r2 b y t e 2 b y t e 2 b y t e1 b y t eM B A P 報 文 頭 結(jié) 構(gòu) MBAP 報文頭包括的各個域的功能描述如下表： 域 長度 描述 客戶機 服務(wù)器 事務(wù)處理標(biāo)識符 2 byte MODBUS 請求 /響應(yīng)事務(wù)處理的識別碼 客戶機啟動 服務(wù)器從接受的請求中重新復(fù)制 協(xié)議標(biāo)識符 2 byte 0=MODBUS協(xié)議 客戶機啟動 服務(wù)器從接受的請求中重新復(fù)制 長度 2 byte 隨后字節(jié)的數(shù)量 客戶機啟動 服務(wù)器啟動（響應(yīng)） 單元標(biāo)識符 1 byte 串行鏈路或其他總線上連接的遠(yuǎn)程從站的識別 客戶機啟動 服務(wù)器從接受的請求中重新復(fù)制 套接字簡介 套接字的概念與文件句柄類似，一個套接字就是一個通信標(biāo)識，由一 個短整數(shù)表示，實際上就是一個句柄，代表網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含了通信雙方的 IP 地址和當(dāng)前的連接狀態(tài)等信息。我們知道，如果一個文件被打開，可以通過文件句柄對文件進行讀寫操作，套接字也一樣，只不過套接字提供的函數(shù)更多一些。 套接字存在于通信區(qū)域中，由協(xié)議、地址、端口來描述并惟一確定，根據(jù)傳輸協(xié)議的不同，套接字可分為 3 種類型：流式套接字、數(shù)據(jù)報套接字和原始套接字。流式套接字提供了一個面向連接的、可靠的、數(shù)據(jù)無錯且按順序接收的服務(wù)，這種套接字對應(yīng)的是面向連接的傳輸協(xié)議，如 TCP/IP 協(xié)議簇中的 TCP。數(shù)據(jù)報套接字提供了一個無連接服務(wù)，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，且接受順序混亂，該套接字所對應(yīng)的是無連接傳輸協(xié)議，如 TCP/IP 協(xié)議簇中的 UDP。原始套接字允許直接訪問低層的協(xié)議，如 IP、 ICMP 協(xié)議，該套接字常用于訪問服務(wù)器中配置的新設(shè)備。 WinSock 提供了許多套接字函數(shù)，它們并不代表協(xié)議的某一個層次，其實質(zhì)就是一組編程接口，用戶利用這些函數(shù)可以很容易地進行編程。 該程序設(shè)計中用到的套接字如下所示： （ 1） socket（） 函數(shù) Socket（） 函數(shù)用于創(chuàng)建一個套接字。 返回的一個套接字號被創(chuàng)建者用來訪問該 套接字。套接字創(chuàng)建時沒有地址（ IP 地址和端口號）。直到一個端口被綁定到該套接字時，方可接受數(shù)據(jù)。 socket 函數(shù)用于創(chuàng)建一個套接字。 語法： SOCKET socket ( Int af , Int type, Int protocol )。 af： 標(biāo)識一個地址家族，通常為 AF_INET。 type：標(biāo)識套接字類型，如果為 SOCK_STREAM，表示流式套接字；如果為SOCK_DGRAM，表示數(shù)據(jù)報套接字。 protocol：標(biāo)識一個特殊的協(xié)議被用于這個套接字，通常為 0，表示采用默認(rèn)的TCP/IP 協(xié)議。 （ 2） bind（） 函數(shù) Bind()函數(shù)用于將套接字綁定到一個已知的地址上。 bind（） 函數(shù) 在套接字與所指定的端口間建立連接。 語法： int bind ( SOCKET s, const struct sockaddr FAR* name, int namelen )。 s：是一個套接字。 name：是一個 sockaddr 結(jié)構(gòu)指針，該結(jié)構(gòu)中包含了要綁定的地 址和端口號。 namelen：確定 name 緩沖區(qū)的長度。 在定義一個套接字后，需要調(diào)用 bin